文科物理第二章第1-2节

第二章

电磁学与电磁波§2.1电磁学发展简史§2.2

静电学与静磁学§2.3

电磁感应定律§2.4

电磁波应用

电磁学是研究电、磁和电磁相互作用及其规律和应用的物理学分支。由于历史上的原因，磁曾被认为是与电独立无关的现象。第二章电磁学与电磁波§2.1电磁学发展简史

中国古代的贡献：最早文字记载“雷”、“电”，发明指南针等。战国时司南和地盘复原模型

最早总结前人对电磁研究的大量经验，讨论电磁体性质的英国医生吉尔伯特，他断言：电与磁是两种不同的现象。吉尔伯特北宋科学家沈括指南针四种试验复原

北宋初年，曾公亮主编的《武经总要》（约成书1044年）中介绍了一种“指南鱼”(复原模型)元代磁州窑绘浮针瓷碗元代指南龟复原(剖面)

明代航海水罗盘复原

明嘉靖年间(1522～1566)航海木帆船沿用“旱罗盘”

富兰克林著名风筝实验

美国的富兰克林的最著名的实验是风筝实验。早在1749年他就注意到雷闪与放电有许多相同之处。1752年他通过在雷雨天气将风筝放入云层，来进行雷击实验，证明了雷闪就是放电现象。1785年，库仑设计了精巧的扭秤实验，直接测定了两个静止点电荷的相互作用力与它们之间的距离二次方成反比，与它们的电量乘积成正比。库仑的实验得到了世界的公认，库仑的扭秤实验

库仑（CharlesAugustindeCoulomb,1736～1806）法国物理学、军事工程师。1736年6月14日生于昂古莱姆。1761年毕业于军事工程学校，并作为军事工程师服役多年。后因健康原因，被迫回家，因此有闲暇从事科学研究。由于他写的一篇题为《简单机械论》的报告而获得法国科学院的奖励，并由此于1781年当选为法国科学院院士。法国大革命时期，他辞去公职，在布卢瓦附近乡村过隐居生活，拿破仑执政后，他返回巴黎，继续进行研究工作。1806年8月23日在巴黎逝世。

库仑的研究兴趣十分广泛，在结构力学、梁的断裂、材料力学、扭力、摩擦理论等方面都取得过成就。1773年法国科学院悬赏征求改进船用指南针的方案。库仑在研究静磁力中，把磁针的支托改为用头发丝或蚕丝悬挂，以消除摩擦引起的误差，从而获得1777年法国科学院的头等奖。他进而研究了金属丝的扭力，于1784年提出了金属丝的扭力定律。这二个成果具有极为重要的意义，它给出了一种新的测量极小力的方法。同年他设计出一种新型测力仪器──扭秤。利用扭秤，他在1785年根据实验得出了电学中的基本定律──库仑定律。1788年，他把同样的结果推广到两个磁极之间的相互作用，这项成果意义重大，它标志着电学和磁学研究从定性进入了定量研究。

早在1781年他还提出过关于摩擦及滑动定律。他在多种实验基础上研究了许多实际静摩擦现象及其相关因素，并提出了滑动摩擦力。

库仑著有《库仑论文集》（1884年）为纪念他对物理学的重要贡献，电量单位便以库仑命名。

1799年伏打制造了第一个能产生持续电流的化学电池。物理学家伏打伏打（AlessandroVolta,1745～1827）意大利物理学家。1745年2月18日生于意大利科莫。学生时代就会对自然科学有浓厚兴趣。1774～1779年任科莫大学预科物理学教授。1779～1815年任帕多瓦大学哲学系主任。1819年退休后回到故乡科莫。1827年3月5日在该地逝世。

伏打自1765年开始从事静电实验研究，1769年发表静电学著作《论电的吸引》。1775年发明树脂起电盘，1781年发明灵敏的麦秸验电器。1782年建立了导体电容C、电荷Q及其电势V之间的关系式。伏打主要贡献是发明伏打电堆(伏打电池

)。当他得悉伽伐尼“动物电”的实验消息后，于1791年着手研究这一现象。经过大量实验，他否定了“动物电”学说，提出了电的“接触”学说，指出伽伐尼电产生于两种不同金属的接触。在这项研究的基础上，他提出了著名的“伏打序列”。他称金属为第一类导体，湿物体为第二类导体，如果回路中同时存在两类导体，就能够产生电流。1800年初，他发现了能够十分明显地增强该效应的方法，从而发明了“伏打电堆”。1800年3月20日他宣布了这项发明，引起极大轰动。这是第一个可以产生稳定、持续电流的装置(伏打电池)，为电学研究开创了新局面。1801年拿破仑一世召他到巴黎表演电堆实验，授予他金质奖章和伯爵称号；1803年当选为法国科学院外国院士。

他的其他研究成果还有：1776年发现甲烷，测定了空气的膨胀系数。

为了纪念他在电学上的贡献，根据他的姓氏把电动势、电势差、电压的单位命名为伏特（volt）。HansChristianOrsted

Born:14August

1777Died:9March1851

Dane(

丹麦人)WhatOrstedsaw...

1820年发现电流的磁效应

一次演讲中，偶然发现导线通电时，在它的下方的小磁针有一微小晃动。他抓住了这个现象，经过3个月的反复实验，发现了电流磁效应。揭开了研究电与磁内在联系的序幕。

奥斯特发现电流磁效应基于（1）自然哲学思想——自然

各种基本力可以相互转化。（2）已发现一些电可能会发生磁

的迹象。坚信电磁间有联系，并发展电是否能产生磁的研究。

奥斯特

法国著名生物学家巴斯德在讲述奥斯特的发现时，说过一句名言：

“在观察领域的一切机遇只偏爱有那些准备的头脑。”

讨论：这句名言已在社会上被广泛使用。安培演示电流相互作用的装置（复制品）

安培对电流磁效应的进行了深入研究，安培从磁体与磁体、电流与磁体相互作用，联想并发现了通电导线之间有相互作用。并进一步发现了通电螺线管与条形磁铁的等效性。安培载流直导线相互作用

载流螺线管与条形磁铁等效

安培（Andre－Marie

Ampere，1775～1836）法国物理学家。1775年1月22日生于里昂一个富商家庭。从小受到良好的家庭教育。他父亲按照卢梭的教育思想，鼓励他走自学成才之路。12岁时就自学了微分运算和各种数学书籍，显示出较高的数学天赋。为了能到里昂图书馆去直看接阅读欧勒、伯努利等人的拉丁文原著，他还花了几星期时间掌握了拉丁文。14岁时就钻研了当时狄德罗和达兰贝尔编的《百科全书》。没有上过任何学校，依靠自学，他掌握了各方面的知识。1793年（18岁）因其父在法国大革命时期被杀，为了糊口他做了家庭教师。在读了一本卢梭关于植物学的书以后，又重新燃起了他对科学的热情。1802年，在布尔让－布雷斯中央学校任物理学及化学教授，1808年被任命为新建的大学联合组织的总监事，此后一直担任此职。1814年被选为帝国学院数学部成员。1819年主持巴黎大学哲学讲座。1824年任法兰西学院实验物理学教授，1836年6月10日在马赛逝世。他的兴趣十分广泛，早年是在数学方面，曾研究过概率论及偏微分方程，他的一篇关于博奕机遇的数学论文曾引起达朗贝尔的瞩目。后来又作了些化学研究，他只比阿伏加德罗晚三年导出阿伏加德罗定律。由于他高超的数学造诣，他成为将数学分析应用于分子物理学方面的先驱。他的研究领域还涉及植物学、光学、心理学、伦理学、哲学、科学分类学等方面。他写出了《人类知识自然分类的分析说明》（1834～1843）这一涉及各科知识的综合性著作。

他的主要科学工作是在电磁学上。1820年奥斯特发现电流磁效应的消息由阿拉果带回巴黎，他作出迅速反应，在短短的一个多月时间内，提出了3篇论文，报告他的实验研究结果：通电螺线管与磁体相似；两个平行长直载流导线之间存在相互作用。进而他用实验证明，在地球磁场中，通电螺线管犹如小磁针样取向。一系列实验结果，提供给他一个重大线索：磁铁的磁性，是由闭合电流产生的。起先，他认为磁体中存在着一个大的环形电流，后来经好友菲涅耳提醒（宏观圆形电流会引起磁体中发热），提出分子电流假说。

他试图参照牛顿力学的方法，处理电磁学问题。他认为在电磁学中与质点相对应的是电流元，所以根本问题是找出电流元之间的相互作用力。为此，自1820年10月起，他潜心研究电流间的相互作用，这期间显示了他的高超实验技巧。依据四个典型实验，他终于得出了两个电流元间的作用力公式。他把自己的理论称作“电动力学”。安培在电磁学方面的主要著作是《电动力学现象的数学理论》，它是电磁学的重要经典著作之一。

以他的姓氏安培命名的电流强度的单位，为国际单位制的基本单位之一。

此外，他还提出，在螺线管中加软铁芯，可以增强磁性。1820年他首先提出利用电磁现象传递电报讯号。欧姆发现电路定律

基尔霍夫分支电路定律

乔治·西蒙·欧姆(1787—1845)1787年3月16日生于德国埃尔兰根城，父亲是锁匠。父亲自学了数学和物理方面的知识，并教给少年时期的欧姆，唤起了欧姆对科学的兴趣。16岁时他进入埃尔兰根大学研究数学、物理与哲学，由于经济困难，中途缀学，到1813年才完成博士学业。欧姆是一个很有天才和科学抱负的人，他长期担任中学教师，由于缺少资料和仪器，给他的研究工作带来不少困难，但他在孤独与困难的环境中始终坚持不懈地进行科学研究，自己动手制作仪器。

欧姆对导线中的电流进行了研究。他从傅立叶发现的热传导规律受到启发，导热杆中两点间的热流量(在导热物体中单位时间内通过垂直于传热方向某一截面的热量)正比于这两点间的温度差。因而欧姆认为，电流现象与此相似，猜想导线中两点之间的电流也许正比于它们之间的某种驱动力，即现在所称的电动势。欧姆花了很大的精力在这方面进行研究。开始他用伏打电堆作电源，但是因为电流不稳定，效果不好。后来他改用温差电池作电源，从而保证了电流的稳定性。

但是如何测量电流的大小，这在当时还是一个没有解决的难题。开始，欧姆利用电流的热效应，用热胀冷缩的方法来测量电流，但这种方法难以得到精确的结果。后来他把奥斯特关于电流磁效应的发现和库仑扭秤结合起来，巧妙地设计了一个电流扭秤，用一根扭丝悬挂一磁针，让通电导线和磁针都沿子午线方向平行放置；再用铋和铜温差电池，一端浸在沸水中，另一端浸在碎冰中，并用两个水银槽作电极，与铜线相连。当导线中通过电流时，磁针的偏转角与导线中的电流成正比。实验中他用粗细相同、长度不同的八根铜导线进行了测量，得出了如下的等式：X＝a／(b＋x)式中X为磁效应强度，即电流的大小；a是与激发力(即温度差)有关的常数，即电动势；x表示导线的长度，b是与电路其余部分的电阻有关的常数，b＋x实际上表示电路的总电阻。

这个结果于1826年发表。1827年欧姆又在《动电电路的数学研究》一书中，把他的实验规律总结成如下公式：Ｓ＝γE。式中S

表示电流；E

表示电动力，即导线两端的电势差，γ为导线对电流的传导率，其倒数即为电阻。欧姆定律发现初期，许多物理学家不能正确理解和评价这一发现，并遭到怀疑和尖锐的批评。研究成果被忽视，经济极其困难，使欧姆精神抑郁。直到1841年英国皇家学会授予他最高荣誉的科普利金牌，才引起德国科学界的重视。欧姆在自己的许多著作里还证明了：电阻与导体的长度成正比，与导体的横截面积和传导性成反比；在稳定电流的情况下，电荷不仅在导体的表面上，而且在导体的整个截面上运动。

法拉第从事电磁现象的实验研究

楞次给出感应电流方向的描述

电磁场的麦克斯韦方程组

赫兹电磁波实验§2.2

静电学与静磁学

电”在西方是从希腊文ηλεκτρον(琥珀)一词转意得来。大概是有一个希腊牧羊人想用羊皮把捡到的琥珀擦亮,不经意中发现琥珀具有一种吸引碎草屑的神秘性质。在中国则是从雷闪现象中引出来的。2.2.1静电学静电学是研究静止电荷产生电场及电场对电荷产生作用力的规律。电荷种类：正电荷和负电荷。电荷守恒定律：电荷可以从一个物体转移到另一个物体，任何物理过程中电荷的代数和保持不变。库仑定律：同种电荷相互排斥，异种电荷

相互吸引

库仑定律

类比万有引力，科学家猜测电荷间作用力与距离平方成反比。

罗比逊实验，发现

罗比逊实验装置

苏格兰的罗比逊认为:应该是反比关系,现在指数比2大是由于实验误差造成的。

卡文迪许利用两个同心球的实验证明了上述规律，他得到δ=0.02，可惜两人的工作都未发表。

库仑于1875年用扭秤实验，通过与万有引力类比，证明并提出了库仑定律

C2/（N·m2）计算表明，库仑力远大于万有引力

从库仑定律的建立看类比方法的重要性

库仑测得δ=0.04，但他断定力与距离成平方反比，是成功运用类比方法的结果。

麦克斯韦对类比法的论述：“为了不用物理理论而得到物理思想，我们必须熟悉物理类比的存在。所谓物理类比，我指的是：一种科学定律与另一种科学定律之间的部分相似性。它使得这两种科学可以相互说明。”

安培他试图参照牛顿力学的方法，处理电磁学问题。他认为在电磁学中与质点相对应的是电流元，所以根本问题是找出电流元之间的相互作用力。欧姆对导线中的电流进行了研究。他从傅立叶发现的热传导规律受到启发，导热杆中两点间的热流量正比于这两点间的温度差。因而欧姆认为，电流现象与此相似，猜想导线中两点之间的电流也许正比于它们之间的某种驱动力，即现在所称的电动势。

汤川秀树也是类比法的成功运用者，他通过将核力和电磁力类比，成功地提出了核力的介子理论。他说：“类比是一种创造性思维的形式，……假定存在一个人所不能理解的某物，他偶尔注意到这一物和他所熟悉的另一物的相似性。他通过将两者比较就可以理解他在此刻之前尚不能理解的某物。如果他的理解是恰当的，而且还没有人达到这样的理解，那么可以说，他的思维确实是创造性的。”汤川秀树(日本物理学家)

1907年1月23日生于东京。1913年入小学，成绩优良，喜欢数学、科学哲学，受中国儒、老、庄典籍不少影响。1929年毕业于京都大学物理系。1932年任京都大学讲师。1933～1939年在大阪大学任教，研究原子核和量子场论。1938年获大阪帝国大学博士学位。1939年回京都大学任物理学教授，直到1970年。其间1943～1945年兼任东京大学教授。他从1946年起主编英文杂志《理论物理学进展》，向国外介绍日本理论物理学的研究成果。1948年受聘为美国普林斯顿高级研究院客座教授，1949～1951年任哥伦比亚大学教授。1953～1970年任京都大学基础物理学研究所第一任所长。1957年参加世界和平运动大会，呼吁和平利用原子能。1975年以后长期患病，1981年9月8日在京都逝世。

生活在书香之家，汤川秀树从小就喜爱图书，养成了爱读、多想、勤写的好习惯。他的父亲是个开明的人，不象其他日本家庭那样硬要孩子遵命选择职业，而是谆谆诱导汤川秀树自己去抉择未来。勤奋向上的汤川秀树在他迈进大学的门槛时，决定专心致志地攻读物理学，还特地选定了当时新兴的量子物理学当作自己进击的目标。那个时候，日本的科学还是很落后的，量子物理学更是一片空白。汤川秀树的决定是十分大胆的，也是带有风险的，但是他毫不畏惧，充满信心地开始了对微观世界的探索。他千方百计地搜集和购买各种关于量子物理的书刊，广泛阅读欧洲、美国的科学家们最新发表的论文，虚心拜一位有名的物理学教授为师。这样，汤川秀树在大学里打下了坚实的知识基础。

汤川秀树是一位没有到过欧美留学，而是在日本国土生土长起来的理论物理学家。汤川秀树自谦地说：“我不是非凡的人，而是在深山丛林中寻找道路的人。”但是，他的成功告诉人们：在落后的条件下，勤奋探求，勇往直前，同样可以到达光辉的顶点。他的成功，他的荣誉，成为激励日本人民在战后废墟上进行建设的精神力量。

在1935年汤川秀树提出介子学说，以“基本粒子的相互作用”为题，发表了介子场论文。预言作为核力及β衰变的媒介存在有新粒子即介子，还提出了核力场的方程和核力的势，即汤川势的表达式。按照这一理论，质子和中子通过交换介子而互相转化，核力是一种交换介子的相互作用。1937年C.D.安德森等在宇宙线中发现新的带电粒子（后被认定为μ子）之后，经C.F.鲍威尔等人的研究，于1947年在宇宙射线中发现了另一种粒子，认定是汤川秀树所预言的介子，被命名为π介子。诺贝尔奖获得者

1949年诺贝尔物理学奖授予汤川秀树，以表彰他在核力的理论基础上预言了介子的存在。他是第一个获得诺贝尔奖的日本人。

必须指出：有时简单的类比也会导致错误的结果。如惠更斯类比声波，认为光波也是纵波就错了。可见类比结果是否正确还得由实验检验。

静电场中的导体一、静电感应与静电平衡

静电感应——

在静电场力作用下，导体中电荷重新分布的现象。导体的静电感应过程无外电场时导体的静电感应过程加上外电场后E外导体的静电感应过程加上外电场后E外++导体的静电感应过程加上外电场后E外+++导体的静电感应过程加上外电场后E外+++++++导体的静电感应过程加上外电场后+E外+++++++++导体达到静电平衡+E+++++++++E外E感+==内0E外E感

静电平衡

——

导体中电荷的宏观定向运动终止，电荷分布不随时间改变。静电平衡条件：用场强来描写：

1.

导体内部电场强度处处为零；

2.

表面电场强度垂直于导体表面。用电势来描写：

1.

导体为一等电势体；

2.

导体表面是一个等势面。金属球放入前电场为一均匀场E金属球放入后电力线发生弯曲电场为一非均匀场+++++++E二、静电平衡时导体上的电荷分布

1、实心导体

在静电平衡下，电荷只分布在导体表面。

结论：电荷分布在导体表面，导体内部场强处处为零。++++++++++++++++++++++++++++++++2.空腔导体

（1）腔内无带电体：当导体壳内没有其他带电体时，在静电平衡下，导体壳的内表面上处处没有电荷，电荷只能分布在外表面。

空腔内没有电场，或者说，空腔内的电势处处相等。q1q2（2）腔内有带电体：

腔体内表面所带的电量和腔内带电体所带的电量等量异号，腔体外表面所带的电量由电荷守恒定律决定。+q1q1+放入