焦耳定律的建立过程20080807

焦耳定律的建立刘娜李艳平(首都师范大学物理系，北京100048)摘要：依据焦耳的论文和一些研究文献，详细介绍了焦耳发现焦耳定律的背景和研究过程，并分析了焦耳探索过程中的一些创造性因素。关键词：焦耳焦耳定律物理教学焦耳定律是基础物理教学的重要内容之一，在一些中学物理教材中，往往会涉及焦耳(JamesPrescottJoule,1818—1889)的生平和科学贡献[1-2]，本文依据焦耳的论文和一些研究文献，详细介绍了焦耳定律的建立背景，以及焦耳提出焦耳定律的实验研究过程，并对焦耳的研究特点和成功因素作了一些初步分析，希望为焦耳定律的教学提供物理学史方面的参考资料。1焦耳的研究背景焦耳1818年出生于英格兰的曼彻斯特，他的祖父早年在曼彻斯特附近的索尔福德创建了一家啤酒厂，家族逐渐变得富裕起来，后来焦耳的父亲获得了这家酒厂的所有权。曼彻斯特自18世纪以来就是英国的纺织业中心，交通便利、文化发达，它和索尔福德都是19世纪英国工业化的先锋城市，迅速的工业发展带动快速的人口增长：1801年，两城总人口9万；1831年，增长到23万；1851年，已达36.7万。当时，曼彻斯特有两个重要的特点：一是“高度的科技化”，各种新技术被采用，产业结构和面貌发生着迅速的变化；二是巨大的科学威望，1793年以后，道尔顿(JohnDalton，1766—1844)一直在曼彻斯特从事教学和研究活动，后以他的原子论等成就享誉英国和欧洲大陆。以道尔顿为首，由当地医生、牧师、律师、商人、有闲绅士及其他对科学感兴趣的人共同建立了曼彻斯特文学和哲学学会，成为这个城市科学活动的中心。焦耳从小身体孱弱，没有到学校接受系统的教育，一直跟随家庭教师学习，1834年起，他和哥哥一起到道尔顿门下学习了3年。焦耳对道尔顿十分敬重，与道尔顿的接触激发了他对科学的兴趣和探索自然的愿望。后来，焦耳经常参加各种学术讲座，并与曼彻斯特文学和哲学学会的许多学者结识，在这个社团中，他属于工程师的小圈子[3-4]焦耳对探索自然有持久并广泛的兴趣，在19世纪热的思想和实验两方面都做出巨大贡献。法拉第发现电磁感应现象不久以后就出现了当时称为磁电机(electric-magneticengine)的早期电机，那时的人们还不大了解电磁现象的规律，也缺乏对电路的深刻认识，只是感到磁电机非常新奇，有可能代替蒸汽机成为效率更高、管理更方便的新动力。于是，研制、改进、使用各种磁电机关注提高磁电机的功效和电力的应用前景成为一股热潮席卷了整个欧洲。焦耳也投入到了这场流行的电气热潮中，开始了他关于电机、电池和电磁铁的研究工作。1837年，焦耳在父亲的工厂里装配了用电池驱动的磁电机，并对它进行了多方面的实验测试。1838年，在父亲的支持下，焦耳在工厂里建造了一个实验室，开始了他最初的实验研究，并取得了许多重要发现。在测试中，焦耳注意到

电机和电路中的发热现象，他想到这和机件运转中的摩擦生热一样，都是动力损失的原因，这促使他对电流的热效应进行了定量研究。［5］电流热效应的实验研究和焦耳定律的建立是焦耳热现象研究的早期工作和成果。2焦耳定律的提出1840年12月17日，焦耳向皇家学会递交了“关于伏打电产生的热”⑺的论文摘要，该摘要发表在《皇家学会记事录》上，但该刊拒绝发表论文全文。这篇文章修改后，以题“关于金属电导体和电池在电解时放出的热”于1841年发表在《哲学杂志》第19卷上。文中记述了焦耳的实验研究和结论一一焦耳定律。该文分为“金属导体放出的热”和“电解放出的热”两部分，焦耳在第一部分中详细描述了他的实验装置、实验过程，以及通过精确测量所得到的发现：当一种已知量的伏打电在已知时间内通过一金属导体时，无论该金属导体的长度、直径和无论是何种金属，其所放出的热总是与它的电阻及通过导体的电流强度的平方成正比。⑺在这篇论文的开始，焦耳就明确说明他的研究是验证性的：“在此之前人们已经知道，伏打电流可以使金属导线变热，而且变热的程度与该导线的导电率准确地成反比。”焦耳实验的目的就是想证实导体的电阻是不是产生热效应的唯一原因。⑻焦耳设计的实验十分简单，所用仪器仅包括他自制的电流计、温度计、供缠绕金属导线的玻璃棒、各种金属导线、盛水的玻璃器皿和计时装置。A If B图1焦耳自制的电流计（采自文献［8］,261页）焦耳的自制电流计如图1所示：将一根铜棒弯成长方形AB,并用木块C使这它直立。N是两端尖形的磁针，悬在一根细钢轴上。当给AB通以电流时，磁针的偏转角度几乎与电流量成比例。焦耳把电流计针偏斜到33.5。定义为一度电流，即A If B图1焦耳自制的电流计（采自文献［8］,261页）焦耳在实验中一共使用了5个电阻，其中4个由金属丝绕制而成，一个是水银电阻。焦耳将金属丝紧密盘绕在一个薄玻璃管上，并将这样形成的线圈的两端分开，导线一端通过玻璃管，为防止金属线短路，他在每圈导线间都留有少许空间，并在圈与圈之间夹入一段棉绳。焦耳的4个金属丝电阻中3个是由长均为2码（约1.83米）的两根铜丝和一根铁丝制成，其中一根铜丝直径1/50英寸（约0.05厘米），另一根1/28英寸（约0.09厘米），铁丝直径1/27英寸（约0.10厘米），我们暂且把这样制成的导体电阻称为R2和屯；第四个金属丝电阻由长11.25英寸（约28.58厘米）、粗1/50英寸（约0.05厘米）铜丝制成，我们称其为R；还有一个水银电阻，焦耳在一根弯玻璃管中盛入水银，作成长22.75英寸（约0.58米）、直径0.0654英寸（约0.17厘米）的水银线圈，我们称之为R。5实验时，把电阻放入一个装有水的玻璃瓶中，图2说明了实验仪器的安排：A是导线线圈电阻；

B是盛水的玻璃瓶；T表示温度计。焦耳首先研究电流相同时金属导体放出的热与电阻的关系，他做了3组实验。每组实验中，焦耳都把两个制备好了的电阻分别放在两个一样且盛水量相同的玻璃瓶中，再把两个电阻串联接在伏打电池上。焦耳记述的3组实验如下：实验1：将电阻R「R2分别浸入盛有相同水量的玻璃瓶中，并使平均量为1.1°Q的电流连续通过两线圈。一小时后，R1（细导线）浸的水增热3.4。，R（粗导线）浸的水增热1.3°。焦耳在2论文中没有详细论证，只是说从实验中发现，3英尺（0.91米）长细导线所传导的电量，恰与8英尺（2.44米）长粗导线传导的电量一样，因此可以推知，叫和R2的电阻是3.4与1.27之比。实验2：用R3代替R2进行实验。使1.25°Q的电流于一小时图2焦耳的实验仪器（采自文献[8],262页）内通过两电阻，结果图2焦耳的实验仪器（采自文献[8],262页）TOC\o"1-5"\h\z3 1丝）造成的温度增加是5.5°。焦耳直接给出，在这种情况中，R和R的电阻是6与5.51之比。1实验3：用R和R进行实验。将两者各浸入半磅水中，并使同样的电流通过它们，一小时后，4 5R（铜丝）线圈的温度上升4.4°，R（水银）线圈的温度上升2.9°。焦耳说，经过仔细实验，发现两4者的电阻是4.4与3之比。焦耳在文章中说，他还做了其它尝试，结果完全是同一性质：它们都证实了这样一个事实，即当一种已知量的伏打电在已知时间内通过一金属导体时，无论该金属导体的长度、粗度、形状或种类如何，其所放出的热，总是与它的电阻成比例。进一步，焦耳研究电流强度与产生的热量的关系。焦耳猜测：“电流强度增加所产生的热效应，应该与电流的平方成比例。”他的这个假设为实验所证实。焦耳继续用实验3中使用的铜丝线圈电阻（R）做实验，记录了其在半小时和一小时中产生的热，并将实验结果列成表格如下：4表1焦耳的实验测量数据电流计针的平均偏向以度表示的电流量半小时中产生的热一小时中产生的热16°0.43°Q1.2°1312°0.92°Q3°4.7°55°2.35°Q19.4°2573°2.61°Q23°1582°2.73°Q25°39.6°在对实验数据进行分析时，焦耳认为，测量到的温度升高（热量）与电流的平方之间存在的差距“是微不足道的”，可以通过一些方法将其减小。由此焦耳得出结论：当伏打电沿着金属导体传递时，其在某一已知时间内所放的热，与该导体的电阻乘电流强度的平方成比例。3讨论由焦耳思想的起源可见，19世纪的英国科学思想主要集中于伦敦的皇家学会，但有时科学思想的中心也可能会游离于伦敦之外，比如曼彻斯特或某些著名科学家的周围。从焦耳的实验来看，他研究的是纯电阻电路。欧姆定律建立以后，焦耳对导体电阻的概念已很明确，知道电阻的大小受电导率、长度和横截面积等因素影响，这为他的研究提供了研究基础。焦耳是19世纪英国著名实验物理学家，在建立焦耳定律的实验研究中，表现出了高超的实验技巧。焦耳定律涉及到了电流强度、电阻、热量和时间4个物理量，他只精确测量了电流和热量。对导体电阻的处理，焦耳是通过比较导体的材料、长度和直径，得到其相对电阻。热量通过测量温度的增加来表示。焦耳还自定义了电流的单位，通过小磁针的偏转角度，表示电流大小。此外，焦耳选用了灵敏度较高的温度计，温度测量技术自 17、18世纪由于G.华伦海特（Fahrenheit）、F.de列奥默（Reaumur）和A.摄尔休斯（Celsius）的改进，灵敏度大大提高，焦耳实验中使用的温度计是灵敏度为1%的液体温度计。测量温度时，焦耳用一根羽毛轻轻拨动液体，然后将温度计从管的顶端吊起，使其处于垂直位置，并用眼睛平视水银的顶端。经过这样的锻炼后，焦耳能有把握地将温度估计到1/10华氏度。每次实验前，焦耳都做了一些必要的防御措施：使玻璃器皿中的水和室内空气保持同样的温度。[8]值得指出的是，焦耳的直觉在他的研究中也起了相当的作用。焦耳实验的目的是想证实导体的电阻是否是产生热效应的唯一原因，他猜测电流强度增加所产生的效应，将与其平方成比例。经过一系列实验的比较，焦耳证明了他的猜测。焦耳在论文的最后强调了他研究的重要意义：“上述定律颇为重要。它告诉我们如何正确地使用那些从所放热量量度电流的仪器。如果采用这种仪器的话，很明显，只有它们所指示的度数的平方根与所要量度的强度成比例。”[8]焦耳定律建立以后，焦耳集中进行了对热和机械运动转化的研究。在对电机和电路产生的热进行研究以后，焦耳进一步的工作是要证明：无论机械功以何种方式转化为热，也无论涉及到了哪种物质或者媒介，转化的比率总是相同的，是自然界中的一个常数。焦耳测量了不同液体和固体之间的流动摩擦，他把气体的绝热与做功联系起来，从逆效应中计算出了热功当量的数值，所有实验得到的值在实验误差允许的范围内都是相同的。在这些研究中，焦耳显示出了他高超的实验技巧和精益求精的科学态度。1850年，焦耳当选为英国皇家学会会员，并接受了三一学院名誉博士的称号，这标志着焦耳的研究工作得到英国科学界的广泛承认。参考文献：⑴课程教材研究所/物理课程教材研究开发中心.义务教育课程标准实验教科书•物理[M].北京：人民教育出版社，2006，48-50吴祖仁.义务教育课程标准实验教科书•物理[M].北京：教育科学出版社，2003,48-50史玉民.焦耳，钱临照，许良英主编.世界著名科学家传记•物理学家V[M].北京：科学出版社，1994，263-274DonaldS.L.Cardwell.TheOriginsandConsequencesofCertainofJ.P.Joule'[Ms].SicnientificIdeasRutherfordArisetal.ed.TheSpringsofScientificCreation：EssaysonFoundersofModernScience.Minnesota:UniversityofMinnesotaPress.1983.pp.44-70⑸郭奕玲，沈慧君.物理学史[M].北京：清华大学出版社，1993,58-64⑹李艳平，申先甲.物理学史教程[M].北京：科学出版社，2003，156-159[7]J.P.Joule.OntheProductionofHeatbyVoltaicElectricity[Abstract][J].PhilosophicalTransactionsoftheRoyalSocietyofLondon，Vol.4(1837-1843)，pp.290-282[8