1、第三章第三章 从静电现象到电磁波从静电现象到电磁波 “自从牛顿奠定理论物理学基础以来，物理学的公自从牛顿奠定理论物理学基础以来，物理学的公理基础理基础换句话说，就是我们关于实在结构的概念换句话说，就是我们关于实在结构的概念最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁学方面最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁学方面的工作所引起的。的工作所引起的。”爱因斯坦爱因斯坦 伽利略和牛顿所取得如此伟大成就，是因为他们把伽利略和牛顿所取得如此伟大成就，是因为他们把科学思维和实验研究很好地结合在一起，为力学的发展科学思维和实验研究很好地结合在一起，为力学的发展开辟了一条正确的道路。开辟了一条正确的道路。电学、
2、磁学构成了经典物理学的另一重要分支。随电学、磁学构成了经典物理学的另一重要分支。随着一个个电磁学研究成果的取得，企图把全部物理学归着一个个电磁学研究成果的取得，企图把全部物理学归纳为力学的机械论观点宣告彻底失败。纳为力学的机械论观点宣告彻底失败。本章将涉及下面一些科学家以及他们的重大发现，本章将涉及下面一些科学家以及他们的重大发现，他们是：库仑、奥斯特、安培、法拉第和麦克斯韦等。他们是：库仑、奥斯特、安培、法拉第和麦克斯韦等。库仑库仑奥斯特奥斯特安培安培法拉第法拉第麦克斯韦麦克斯韦 3.1 3.1 静电和静磁现象的研究静电和静磁现象的研究 一、静磁和静电现象的早期研究一、静磁和静电现象的早期研
3、究 中国古代的贡献：最早文字记载中国古代的贡献：最早文字记载“雷雷”、“电电”，发，发明指南针等。明指南针等。最早总结前人对电磁研究的大量经验，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。断言：电与磁是两种不同的现象。相比静磁现象，静电研究困难得多。相比静磁现象，静电研究困难得多。直到第一台摩擦起电机发明后，对静电直到第一台摩擦起电机发明后，对静电研究才迅速开展起来。研究才迅速开展起来。吉尔伯特吉尔伯特摩擦起电摩擦起电u 一根玻璃棒，用一种丝绸布把它摩擦一会儿，它就一根玻璃棒，用一种丝绸布把它摩擦一会儿
4、，它就能把桌上的羽毛片或小纸屑吸起来，这是能把桌上的羽毛片或小纸屑吸起来，这是“摩擦起摩擦起电电”。u其实，人们很早就知道了摩擦起电。大约在其实，人们很早就知道了摩擦起电。大约在2500 年以年以前，古希腊有七位前，古希腊有七位“圣人圣人”，其中之一便是著名哲学，其中之一便是著名哲学家泰勒斯家泰勒斯，经过摩擦之后的琥珀会吸引轻小的物体泰经过摩擦之后的琥珀会吸引轻小的物体泰勒斯当时还无法解释，但是他认识到这是一个很重要勒斯当时还无法解释，但是他认识到这是一个很重要的现象，就把它详细地记录了下来。的现象，就把它详细地记录了下来。u我国古代对摩擦生电方面的发现和记载也是很多的。我国古代对摩擦生电方面
5、的发现和记载也是很多的。东汉初期的科学家王充就在他的著作东汉初期的科学家王充就在他的著作论衡论衡一书中一书中有记载。有记载。u世界上第一个认真研究这一现象的人是世界上第一个认真研究这一现象的人是16 16 世纪末的英世纪末的英国医生威廉国医生威廉吉尔伯特。他是英国女王伊丽莎白一世的吉尔伯特。他是英国女王伊丽莎白一世的御医，以研究磁力现象而著称于科学史。他对泰勒斯御医，以研究磁力现象而著称于科学史。他对泰勒斯的故事十分感兴趣，动手做了大量的实验，还特地在的故事十分感兴趣，动手做了大量的实验，还特地在女王面前作了琥珀吸引羽毛的表演，吉尔伯特把这一女王面前作了琥珀吸引羽毛的表演，吉尔伯特把这一现象称
6、为现象称为“电电”。“电电”这个字的英文读音这个字的英文读音“ElectricityElectricity”就是希腊文就是希腊文“琥珀琥珀”一词的译音，吉一词的译音，吉尔伯特第一个提出了尔伯特第一个提出了“电电”这个概念。这个概念。u从泰勒斯发现摩擦琥珀可以起电后的从泰勒斯发现摩擦琥珀可以起电后的2300 2300 多年的时间多年的时间里，摩擦起电几乎成了人们获得电的唯一方法。随着里，摩擦起电几乎成了人们获得电的唯一方法。随着时间的推移，欧洲人对自然界的兴趣越来越浓，他们时间的推移，欧洲人对自然界的兴趣越来越浓，他们不断地提出问题，例如琥珀经过摩擦可以吸引轻微的不断地提出问题，例如琥珀经过摩擦
7、可以吸引轻微的东西，那么摩擦得猛烈一点，吸引力会不会增加呢？东西，那么摩擦得猛烈一点，吸引力会不会增加呢？琥珀会不会带上更多的电呢？摩擦起电促使欧洲科学琥珀会不会带上更多的电呢？摩擦起电促使欧洲科学家继续研究、继续探索。家继续研究、继续探索。l 世界上第一个发明摩擦起电机的人是德国（当时称普世界上第一个发明摩擦起电机的人是德国（当时称普鲁士）萨克森的马德堡市市长格里克。虽然他是市长，鲁士）萨克森的马德堡市市长格里克。虽然他是市长，公务繁忙，但是对自然科学研究还是投入了大量的时公务繁忙，但是对自然科学研究还是投入了大量的时间和精力。间和精力。l 他把带有一个木柄的黄色硫磺球。放在一个木制的托他把
8、带有一个木柄的黄色硫磺球。放在一个木制的托架上，使它可以自由转动，他用一只手握住木柄，使架上，使它可以自由转动，他用一只手握住木柄，使硫磺球绕轴旋转，另一只手按在球体上，随着球的不硫磺球绕轴旋转，另一只手按在球体上，随着球的不停转动，硫磺球表面就会因摩擦而生电，充满大量的停转动，硫磺球表面就会因摩擦而生电，充满大量的电荷，这就是第一个起电机。电荷，这就是第一个起电机。起电机起电机l 1882 年，英国维姆胡斯创造了圆盘式静电感应起电机，年，英国维姆胡斯创造了圆盘式静电感应起电机，其中两同轴玻璃圆板可反向高速转动，摩擦起电的效其中两同轴玻璃圆板可反向高速转动，摩擦起电的效率很高，并能产生高电压。
9、这种起电机一直沿用至今，率很高，并能产生高电压。这种起电机一直沿用至今，在各中学的物理课堂上作电学演示实验时，就经常用在各中学的物理课堂上作电学演示实验时，就经常用到它。到它。l 经过英国、德国几代科学家改进摩擦起电机，其效力经过英国、德国几代科学家改进摩擦起电机，其效力和威力都有了很大提高，能够产生强大的火花。特别和威力都有了很大提高，能够产生强大的火花。特别是能从人身上生出火花来，引起世人的惊奇，使促人是能从人身上生出火花来，引起世人的惊奇，使促人们对电的本质、物质结构以及雷电现象等进行探索，们对电的本质、物质结构以及雷电现象等进行探索，从而促进了电学的发展。从而促进了电学的发展。吉尔伯特
10、吉尔伯特 1600 1600 年，近代磁学的奠基人、英国物理学家威廉年，近代磁学的奠基人、英国物理学家威廉吉吉尔伯特（尔伯特（154415441603 1603 年）所著年）所著论磁石、磁性物体和论磁石、磁性物体和大磁体地球大磁体地球一书出版。吉尔伯特曾在剑桥大学学医，一书出版。吉尔伯特曾在剑桥大学学医，15691569年获得医学博士学位，后来在伦敦行医，年获得医学博士学位，后来在伦敦行医，1600 1600 年年成为伊丽莎白一世女王的御医。但吉尔伯特的主要兴成为伊丽莎白一世女王的御医。但吉尔伯特的主要兴趣和成就不是在医学方面，而集中于磁和电的研究。趣和成就不是在医学方面，而集中于磁和电的研究
11、。他的著作总结了自己多年工作的成果，其中包括对自他的著作总结了自己多年工作的成果，其中包括对自己所做的己所做的600600多个实验的介绍。多个实验的介绍。吉尔伯特发现，吉尔伯特发现，磁体永远有两个极磁体永远有两个极：北极和南极，在：北极和南极，在分割磁体时，也永远不会得到只有一个磁极的磁体；分割磁体时，也永远不会得到只有一个磁极的磁体；同名的磁极相互排斥，异名的磁极相互吸引同名的磁极相互排斥，异名的磁极相互吸引；在磁体在磁体影响下，铁制物品可以获得磁性影响下，铁制物品可以获得磁性；如果在天然磁石两；如果在天然磁石两极包上铁，能够使其磁性显著增强。极包上铁，能够使其磁性显著增强。吉尔伯特最重要的
12、科学贡献，是吉尔伯特最重要的科学贡献，是发现了地球本身是一发现了地球本身是一个巨大的磁体个巨大的磁体。他的这一结论是从实验中导出的。他的这一结论是从实验中导出的。吉尔伯特的实验和研究还发展了有关电的知识。在他吉尔伯特的实验和研究还发展了有关电的知识。在他之前，人们对电的认识基本上停留在古希腊哲学家泰之前，人们对电的认识基本上停留在古希腊哲学家泰勒斯所描述的琥珀经摩擦会产生电的水平上。吉尔伯勒斯所描述的琥珀经摩擦会产生电的水平上。吉尔伯特设计制作了一台验电器，由一个尖顶支枢支承一根特设计制作了一台验电器，由一个尖顶支枢支承一根能够灵活转动的指针。他把钻石、宝石、玻璃、水晶、能够灵活转动的指针。他
13、把钻石、宝石、玻璃、水晶、硫磺、树脂等各种物体摩擦后靠近指针，看指针是否硫磺、树脂等各种物体摩擦后靠近指针，看指针是否被吸引向这些物体。通过这样的实验，他得出结论：被吸引向这些物体。通过这样的实验，他得出结论：琥珀的性质是许多其他物质共有的。他把这些物质称琥珀的性质是许多其他物质共有的。他把这些物质称为为“带电体带电体”，而把金属物质列为，而把金属物质列为“非带电体非带电体”的主的主要项目。他当时还不知道，金属这类导电物质在摩擦要项目。他当时还不知道，金属这类导电物质在摩擦时产生的电荷会很快失去。时产生的电荷会很快失去。在吉尔伯特之后，对磁和电的现象的研究进展缓在吉尔伯特之后，对磁和电的现象的
14、研究进展缓慢，很长时间内没有多少新的发现。慢，很长时间内没有多少新的发现。莱顿瓶莱顿瓶 莱顿瓶是一个玻璃瓶，瓶里瓶外分别贴有锡箔，瓶里莱顿瓶是一个玻璃瓶，瓶里瓶外分别贴有锡箔，瓶里的锡箔通过金属链跟金属棒连接，棒的上端是一个金的锡箔通过金属链跟金属棒连接，棒的上端是一个金属球，电容器莱顿瓶很快在欧洲引起了强烈的反响，属球，电容器莱顿瓶很快在欧洲引起了强烈的反响，电学家们不仅利用它们作了大量的实验，而且做了大电学家们不仅利用它们作了大量的实验，而且做了大量的示范表演，有人用它来点燃酒精和火药。量的示范表演，有人用它来点燃酒精和火药。本杰明本杰明.富兰克林富兰克林 他是美国历史上第一位享有国声誉的
15、科学家和发明家他是美国历史上第一位享有国声誉的科学家和发明家和音乐家。作过著名的和音乐家。作过著名的“风筝实验风筝实验”，在电学上成就，在电学上成就显著。显著。为了深入探讨电运动的规律，创造的许多专用名词如为了深入探讨电运动的规律，创造的许多专用名词如正电、负电、导电体、电池、充电、放电正电、负电、导电体、电池、充电、放电等成为世界等成为世界通用的词汇。通用的词汇。他借用了数学上正负的概念，第一个科学地用正电、他借用了数学上正负的概念，第一个科学地用正电、负电概念表示电荷性质。并提出了负电概念表示电荷性质。并提出了电荷不能创生电荷不能创生、也、也不能消灭的思想，后人在此基础上发现了电荷守恒定不
16、能消灭的思想，后人在此基础上发现了电荷守恒定律。律。他最先提出了他最先提出了避雷针避雷针的设想，由此而制造的避雷针，的设想，由此而制造的避雷针，避免了雷击灾难，破除了迷信。避免了雷击灾难，破除了迷信。他是一位优秀的政治家，是美国独立战争的老战士。他是一位优秀的政治家，是美国独立战争的老战士。他参加起草了他参加起草了独立宣言独立宣言和美国宪法，积极主张废和美国宪法，积极主张废除奴隶制度，深受美国人民的崇敬。他是美国第一位除奴隶制度，深受美国人民的崇敬。他是美国第一位驻外大使驻外大使(法国法国),),所以在世界上也享有较高的声誉。所以在世界上也享有较高的声誉。二、库仑定律二、库仑定律 类比万有引力
17、，科学家类比万有引力，科学家猜测电荷间作用力与距离平猜测电荷间作用力与距离平方成反比。方成反比。罗比逊实验，发现罗比逊实验，发现:21rf罗比逊实验装置罗比逊实验装置指数偏差指数偏差:0.06 卡文迪许利用两个同心球的实验证明了上述规律，卡文迪许利用两个同心球的实验证明了上述规律，他得到他得到=0.02=0.02，可惜两人的工作都未发表。，可惜两人的工作都未发表。法国的工程师、物理学家库仑建立了著名的法国的工程师、物理学家库仑建立了著名的库仑定库仑定律律。他发明了灵敏度很高的测量装置。他发明了灵敏度很高的测量装置“电钮秤电钮秤”。进行。进行广泛的电学和磁学实验，证明了电场力和磁场力都服从广泛的
18、电学和磁学实验，证明了电场力和磁场力都服从平方反比规律。研究中，库仑也是把它们跟万有引力作平方反比规律。研究中，库仑也是把它们跟万有引力作类比，事先建立了平方反比的概念。类比，事先建立了平方反比的概念。库仑于库仑于18751875年用电扭实验，通过与万有引力类比，年用电扭实验，通过与万有引力类比，确信并提出了库仑定律确信并提出了库仑定律 。库仑定律库仑定律：在真空中，两个静止的点电荷之间的相互作用：在真空中，两个静止的点电荷之间的相互作用力的大小与它们的电量的乘积成正比，与它们之间的距力的大小与它们的电量的乘积成正比，与它们之间的距离的平方成反比，作用力的方向沿着它们的联线，同号离的平方成反比
19、，作用力的方向沿着它们的联线，同号相斥，异号相吸。相斥，异号相吸。01212122q qKrFr1q2q12r0121212rrr单位矢量单位矢量:计算表明，库仑力远大于万有引力计算表明，库仑力远大于万有引力，后者在后者在讨论中完全可忽略。讨论中完全可忽略。041K120108541878178.C2/（Nm2）在实际问题中，直接用到库仑定律的机会很少，常用的在实际问题中，直接用到库仑定律的机会很少，常用的却是从它推导出来的其他公式。为了使这些常用公式的却是从它推导出来的其他公式。为了使这些常用公式的形式简单些，可以使库仑定律中的比例系数形式简单些，可以使库仑定律中的比例系数K K复杂些。复杂
20、些。真空电容率真空电容率:1q2qr两个带电体的库仑力计算两个带电体的库仑力计算1Q2Q三、从库仑定律的建立看，类比方法的重要性三、从库仑定律的建立看，类比方法的重要性 库仑测得库仑测得=0.04=0.04，但他断定力与距离成平方反比，是，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。成功运用类比方法的结果。麦克斯韦对类比法的论述：麦克斯韦对类比法的论述：“为了不用物理理论而得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类比，我指的是一种科学定律与另一种科学定律之间的
21、部分相似性。它使得这两种科学可以相互说明。部分相似性。它使得这两种科学可以相互说明。”汤川秀树也是类比法的成功运用者，他通过将核力和电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：磁力类比，成功地提出了核力的介子理论。他说：“类类比是一种创造性思维的形式，比是一种创造性思维的形式，假定存在一个人所不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
22、且还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得到。创造性得到。”必须指出：有时简单的类比也会导致错误的结果。如惠必须指出：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。果是否正确还得由实验检验。汤川秀树汤川秀树 1929 1929年毕业于京都帝国大学理学院物理系。年毕业于京都帝国大学理学院物理系。19351935年，汤川秀树在大阪大学任讲师时，发表核力的介子年，汤川秀树在大
23、阪大学任讲师时，发表核力的介子场理论，用来解释原子核内的作用力，预言了介子的场理论，用来解释原子核内的作用力，预言了介子的存在。介子是质量处于电子和质子之间的粒子。存在。介子是质量处于电子和质子之间的粒子。19371937年，年，C.D.C.D.安德森在宇宙线中发现一种比电子约重安德森在宇宙线中发现一种比电子约重200200倍倍的粒子，当时误认为就是介子，后来发现其性质跟介的粒子，当时误认为就是介子，后来发现其性质跟介子应有的不同，实质是介子衰变后的产物，今称子应有的不同，实质是介子衰变后的产物，今称子。子。经经 C.F.C.F.鲍威尔等人的研究，于鲍威尔等人的研究，于19471947年在宇宙
24、线中发现年在宇宙线中发现另一种粒子，认定是汤川秀树所预言的介子，今称另一种粒子，认定是汤川秀树所预言的介子，今称 介子。由于在核力理论的基础上预言介子的存在，汤介子。由于在核力理论的基础上预言介子的存在，汤川秀树获川秀树获19491949年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。3.2 3.2 电流的产生及其磁效应电流的产生及其磁效应 一、一、从动物电研究到伏打电堆发明从动物电研究到伏打电堆发明 伽伐尼发现伽伐尼发现“动物电动物电”：青蛙的肌肉因与手术刀：青蛙的肌肉因与手术刀接触会发生痉挛现象。使电学的研究开始从静电接触会发生痉挛现象。使电学的研究开始从静电转向动电。转向动电。伏打电堆伏打电堆 伏打
25、从实验发现了金属的接触电势差，伏打从实验发现了金属的接触电势差，从而发明了伏打电堆。从此使电学从静电领从而发明了伏打电堆。从此使电学从静电领域到电流（动电）领域，实现了一大飞跃。域到电流（动电）领域，实现了一大飞跃。伏打电堆的发明，提供了产生恒定电流的电伏打电堆的发明，提供了产生恒定电流的电源源化学电源，使人们有可能从各个方面化学电源，使人们有可能从各个方面研究电流的各种效应。电学进入了一个飞速研究电流的各种效应。电学进入了一个飞速发展的时期发展的时期电流和电磁效应的新时期。电流和电磁效应的新时期。现在用的干电池就是经过改时后的伏打现在用的干电池就是经过改时后的伏打电池。电池。拿破仑拿破仑伏打
26、电堆伏打电堆 二、奥斯特发现电流磁效应二、奥斯特发现电流磁效应 奥斯特基于奥斯特基于 （1 1）自然哲学思想）自然哲学思想自然各种基本力自然各种基本力 可以相互转化。可以相互转化。（2 2）已发现一些电可能会发生磁）已发现一些电可能会发生磁 的迹象。的迹象。坚信电磁间有联系，并发展电是否能产生磁的研究。坚信电磁间有联系，并发展电是否能产生磁的研究。奥斯特奥斯特 法国著名生物学家巴斯德在讲述奥斯特的发现时，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：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在观察领域的一切机遇只偏爱有那些准备的头脑。脑。”一次演讲中，偶然发现导线通电
27、时，在它的下方的一次演讲中，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，经过小磁针有一微小晃动。他抓住了这个现象，经过3 3个月的个月的反复实验，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。联系的序幕。奥斯特的实验迅速在两个方面取得惊人的突进：奥斯特的实验迅速在两个方面取得惊人的突进：u 一个是技术上立即诞生了电流计和制成了电磁铁。一个是技术上立即诞生了电流计和制成了电磁铁。u 另一个是架起了一座连通电和磁之间的桥梁，导致电另一个是架起了一座连通电和磁之间的桥梁，导致电与磁关系的一系列发现，使电磁学作为一个整体的学
28、与磁关系的一系列发现，使电磁学作为一个整体的学科出现。科出现。三、安培对电流磁效应的深入研究三、安培对电流磁效应的深入研究 安培从磁体与磁体、电流与磁体相互作用，联想并安培从磁体与磁体、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。发现磁性转动的方向与电螺线管与条形磁铁的等效性。发现磁性转动的方向与电流方向的关系服从右手定则。流方向的关系服从右手定则。安培安培载流直导线相互作用载流直导线相互作用 载流螺线管与条形磁铁等效载流螺线管与条形磁铁等效 “磁性起源假说磁性起源假说”：由此安培提出了著名
29、的由此安培提出了著名的“磁性起源磁性起源假说假说”：物质磁性来自于内部有电流，构成磁性物质的：物质磁性来自于内部有电流，构成磁性物质的每个微粒都存在永不停息的环形电流，此环形电流使微每个微粒都存在永不停息的环形电流，此环形电流使微粒显示出磁性，粒显示出磁性，N N极和极和S S极分布在环形电流的两侧。极分布在环形电流的两侧。可解释物体可被磁化的现象及磁体被分割后仍有可解释物体可被磁化的现象及磁体被分割后仍有N N、S S极性现象。此假说，直到极性现象。此假说，直到1919世纪知道了原子结构和物质世纪知道了原子结构和物质结构的秘密，才真正知道这是结构的秘密，才真正知道这是“分子电流分子电流”。安
30、培也通过理论研究，提出了计算两载流回路之间安培也通过理论研究，提出了计算两载流回路之间的相互作用力的方法。对于作用在长为的相互作用力的方法。对于作用在长为l l 两载流直导线两载流直导线上的力为上的力为 ldIIf2210其中其中 和和 是两导线中的电流，是两导线中的电流，d d为两平行导线间的距离，为两平行导线间的距离，在国际单位制中，常量在国际单位制中，常量 为真空磁导率，为真空磁导率，0270N/A1041I2I3.3 3.3 电磁感应定律电磁感应定律 一、电磁感应现象的发现一、电磁感应现象的发现 法拉第的自然哲学思想：他与奥斯特一样，坚信自然力法拉第的自然哲学思想：他与奥斯特一样，坚信
31、自然力的的“统一性统一性”，并追求这种统一性。他在实验记录中有，并追求这种统一性。他在实验记录中有这样一段话：这样一段话：“长期以来，我就持有一种观点，几乎是长期以来，我就持有一种观点，几乎是一种信仰，我相信其他许多爱好自然知识的人也会共同一种信仰，我相信其他许多爱好自然知识的人也会共同有的，就是物质的力表现出来时具有某种形态，都有一有的，就是物质的力表现出来时具有某种形态，都有一个共同的根源，或者换句话说，它们是相互直接联系的，个共同的根源，或者换句话说，它们是相互直接联系的，也是相互依赖的，所以它们似乎是可以互相转化的。也是相互依赖的，所以它们似乎是可以互相转化的。加上奥斯特已发现了电能产
32、生磁，所以法拉第坚信：磁加上奥斯特已发现了电能产生磁，所以法拉第坚信：磁一定能产生电。一定能产生电。经过近经过近1010年的努力，于年的努力，于18311831年发现了电磁感应现象。年发现了电磁感应现象。由上述由上述4 4种方法，可见关键点是：产生感应电流的回路都种方法，可见关键点是：产生感应电流的回路都是处在一个是处在一个变化的磁场变化的磁场中，一旦磁场变化停止，感应电中，一旦磁场变化停止，感应电流就消失。这种现象称为电磁感应。流就消失。这种现象称为电磁感应。二、创造性的科学思维二、创造性的科学思维磁感线与场概念的引入磁感线与场概念的引入 法拉第于法拉第于18311831年底用铁粉实验展示并
33、提出了年底用铁粉实验展示并提出了“磁力线磁力线”（现称磁感应线）概念。他认为磁感应线显示了在磁体周围（现称磁感应线）概念。他认为磁感应线显示了在磁体周围空间是物理空间，其中存在空间是物理空间，其中存在“磁场磁场”。利用磁感应线在空间。利用磁感应线在空间分布的疏密程度可以直观地描述磁场的强弱。分布的疏密程度可以直观地描述磁场的强弱。“密密”表示表示 “强强”，“稀稀”表示表示“弱弱”。条形磁铁周围铁屑沿磁感应线排列条形磁铁周围铁屑沿磁感应线排列 磁感应强度是矢量磁感应强度是矢量，有大小和方向。在磁感应线上，有大小和方向。在磁感应线上某点的切线方向为该点磁感应强度方向。人们规定磁场某点的切线方向为
34、该点磁感应强度方向。人们规定磁场的方向是将小磁针放在该点时，北极所指方向。的方向是将小磁针放在该点时，北极所指方向。“场场”概念引入的重大意义概念引入的重大意义 力线和场的概念的提出，不仅使电磁感应可给以定量的力线和场的概念的提出，不仅使电磁感应可给以定量的描述，而且描述，而且“场场”的提出，表明电力和磁力是一种近距的提出，表明电力和磁力是一种近距作用，即这种力是通过作用，即这种力是通过“场场”进行传播的，不是进行传播的，不是“超距超距作用作用”。更重要的是：更重要的是：“场场”的引入是物理学中极具想象力的创举，的引入是物理学中极具想象力的创举，对物理学发展具有开创意义。在过去人们认为物理实在
35、是质对物理学发展具有开创意义。在过去人们认为物理实在是质点，牛顿研究的是质点的力学运动规律。而在电磁学的研究点，牛顿研究的是质点的力学运动规律。而在电磁学的研究中，物理实在是有连续的中，物理实在是有连续的“场场”来代表。法拉第和麦克斯韦来代表。法拉第和麦克斯韦研究的是研究的是“场场”的运动变化规律，这是一场伟大的变革。的运动变化规律，这是一场伟大的变革。“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。的源泉。”爱因斯坦爱因斯坦 电场（电场（E）线：）
36、线：在电场中画一组曲线：在电场中画一组曲线：1、曲线上每一点的切线方向与该点的电场方向一致；、曲线上每一点的切线方向与该点的电场方向一致；2、从正电荷出发，终止于负电荷；、从正电荷出发，终止于负电荷；3、为了定量地描写电场，对电场线的画法作如下的规、为了定量地描写电场，对电场线的画法作如下的规定：在电场中任一点处，通过定：在电场中任一点处，通过垂直于电场强度垂直于电场强度E单位面积单位面积的电场线数等于该点的电场强度的数值。的电场线数等于该点的电场强度的数值。4、电场线不同于磁感应线，电场线不闭合。、电场线不同于磁感应线，电场线不闭合。dSEddNES注意：注意：d dS S是垂直是垂直E E
37、的的电场强度的大小：电场强度的大小：点电荷的电场线点电荷的电场线正电荷正电荷负电荷负电荷+非均匀电场非均匀电场一对等量异号电荷的电场线一对等量异号电荷的电场线+一对等量正点电荷的电场线一对等量正点电荷的电场线+一对异号不等量点电荷的电场线一对异号不等量点电荷的电场线2q+q带电平行板电容器的电场带电平行板电容器的电场+远离边缘的区远离边缘的区域是均匀电场域是均匀电场 电场强度通量电场强度通量 通过电场中某一个面的电场线的条数，称为通过该平面通过电场中某一个面的电场线的条数，称为通过该平面的电场强度通量。的电场强度通量。eES 1、若电场是均匀的而且面和场是垂直的，则有：、若电场是均匀的而且面和
38、场是垂直的，则有：2 2、一般情况：将曲面分割为无限、一般情况：将曲面分割为无限多个面元，称为面积元矢量多个面元，称为面积元矢量nSSdd则电场穿过该面元的电通量为则电场穿过该面元的电通量为ddeES电场穿过某曲面的电通量为电场穿过某曲面的电通量为deends 不闭合曲面：不闭合曲面：面元的法向单位矢量可有两种相反面元的法向单位矢量可有两种相反取向，电通量可正也可负；取向，电通量可正也可负；nn说明：说明：电通量是标量，但有正负之分。电通量是标量，但有正负之分。闭合曲面：闭合曲面：规定面元的法向单位矢量规定面元的法向单位矢量取向外为正。取向外为正。电场线穿出，电通量为正，电场线穿出，电通量为正
39、，反之则为负。反之则为负。nn1.1.静电场：静电场：相对于观察者静止的电荷在周围空间激发的电相对于观察者静止的电荷在周围空间激发的电场。场。关于电荷之间关于电荷之间的相互作用历的相互作用历史上曾存在两史上曾存在两种观点种观点超距作用超距作用作用作用作用作用电场电场 电荷电荷1 1电荷电荷2 2电场电场1 1电场电场2 2电荷电荷1 1电荷电荷2 2产生产生作用作用作用作用产生产生 三、带电粒子在电场和磁场中所受的力和场强的定义三、带电粒子在电场和磁场中所受的力和场强的定义 2.2.电场强度电场强度试验电荷试验电荷q q0 0及条件：及条件：点电荷点电荷(尺寸小尺寸小)q q0 0足够小足够小
40、,对待测电场影响小对待测电场影响小电场强度电场强度：电场中某点的电场强度等于电场中某点的电场强度等于单位正电荷在该点所受的电场力。单位正电荷在该点所受的电场力。0qFEAFq0q q0 0BFAB3 3、点电荷的电场、点电荷的电场rrqqF3004130014FqErqr（1 1）真空中点电荷的电场）真空中点电荷的电场qOr0qP+ErEr01403rq qFrr 30014rFqErqr（2 2）介电体中点电荷的电场）介电体中点电荷的电场qiq24 4、电场强度叠加原理和点电荷系的场强、电场强度叠加原理和点电荷系的场强 121nniiFFFFF0qFE021qFFFnnEEE21iE2Fq0
41、q11FiF上式表明，在点电荷系产生的电场中，上式表明，在点电荷系产生的电场中，某一点的场强，等于每个点电荷单独某一点的场强，等于每个点电荷单独存在时在该点产生场强的矢量和。这存在时在该点产生场强的矢量和。这就是电场强度叠加原理。就是电场强度叠加原理。5.5.磁感应强度磁感应强度 设带电量为设带电量为q，速度为，速度为v的运动试探电荷处于磁场中，的运动试探电荷处于磁场中，实验发现：实验发现：（1）当运动试探电荷以同一速率）当运动试探电荷以同一速率v沿不同方向通过磁沿不同方向通过磁场中某点场中某点 p 时，电荷所受磁力的大小是不同的，但磁力的时，电荷所受磁力的大小是不同的，但磁力的方向却总是与电
42、荷运动方向（方向却总是与电荷运动方向（）垂直；）垂直；v （2 2）在磁场中的）在磁场中的p p点处存在着一个特定的方向，当电荷点处存在着一个特定的方向，当电荷沿此方向或相反方向运动时，所受到的磁力为零，与电荷本沿此方向或相反方向运动时，所受到的磁力为零，与电荷本身性质无关身性质无关;（3 3）在磁场中的）在磁场中的p p点处，电荷沿与上述特定方向垂直的点处，电荷沿与上述特定方向垂直的方向运动时所受到的磁力最大方向运动时所受到的磁力最大(记为记为F Fm m)，并且，并且F Fm m与与qvqv的比值的比值是与是与q q、v v无关的确定值。无关的确定值。方向：方向：小磁针平衡时小磁针平衡时N
43、 极的指向极的指向。大小：大小：单位：单位：特斯拉（特斯拉（T）高斯（高斯（Gs）qvFBm 由实验结果可见，磁场中任何一点都存在一个固有的特由实验结果可见，磁场中任何一点都存在一个固有的特定方向和确定的比值定方向和确定的比值Fm/(qv)，与试验电荷的性质无关，反映，与试验电荷的性质无关，反映了磁场在该点的方向和强弱特征，为此，了磁场在该点的方向和强弱特征，为此，定义一个矢量函定义一个矢量函数数磁感应强度矢量：磁感应强度矢量：Gs10T146.6.运动电荷所受的磁场力运动电荷所受的磁场力 从以上的实验结果看：从以上的实验结果看：磁场力既与电荷的运动方向垂直磁场力既与电荷的运动方向垂直又与磁感
44、应强度垂直，且相互构成右手螺旋系统，故它们又与磁感应强度垂直，且相互构成右手螺旋系统，故它们间的矢量关系式可写成间的矢量关系式可写成qBvmFxyzBvqF如如 与与 之间的夹角为之间的夹角为 ，那么那么 的大小为：的大小为：vBFsinqvBF qvBFFFm 2/0 or 0反向与同向与BvFqBvFq 0 0 带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动设有一均匀磁场，磁感应强度为设有一均匀磁场，磁感应强度为 ，一电荷量为，一电荷量为 、质量、质量为为 的粒子，以初速的粒子，以初速 进入磁场中运动。进入磁场中运动。Bqm0v（1 1）如果）如果 与与 相互平行相互平行B0v0F粒子作匀速
45、直线运动粒子作匀速直线运动。B0v（2 2）如果）如果 与与 垂直垂直B0vBqvF0粒子作匀速圆周运动。粒子作匀速圆周运动。轨道半径轨道半径BBBvvvFFqFBRvmBqv200qBmvR0周期周期qBmvRT220BqvF0（3 3）如果）如果 与与 斜交成斜交成 角角 B0vhqnv00vxv0BRcos00vvxsin00vvnqBmvRn0qBmvTvhxx200qBmT2粒子作螺旋粒子作螺旋运动。运动。螺距：螺距：地球磁场类似于磁偶极子产生的磁场，它的磁感线分地球磁场类似于磁偶极子产生的磁场，它的磁感线分布情况如图所示，两极强而中间弱，在外层空间运动的大布情况如图所示，两极强而中
46、间弱，在外层空间运动的大量带电粒子（宇宙射线）进入磁场影响范围，将绕地磁感量带电粒子（宇宙射线）进入磁场影响范围，将绕地磁感线作螺旋运动，因为在近两极处地磁场增强，作螺旋运动线作螺旋运动，因为在近两极处地磁场增强，作螺旋运动的粒子将被折回，结果在沿磁感线的区域内来回振荡，形的粒子将被折回，结果在沿磁感线的区域内来回振荡，形成范成范阿仑辐射带。偶尔地，太阳黑子活动引起空间磁场的阿仑辐射带。偶尔地，太阳黑子活动引起空间磁场的变化，使粒子在磁感线引导下在地极附近进入大气层，从变化，使粒子在磁感线引导下在地极附近进入大气层，从而引起大气中氮和氧分子的电离，产生出奇丽的极光。而引起大气中氮和氧分子的电离
47、，产生出奇丽的极光。7.7.实际应用：实际应用：1 1）电视机显象管中的电子束就是利用磁场来偏转的；）电视机显象管中的电子束就是利用磁场来偏转的；2 2）是制造回旋加速器的基本原理；）是制造回旋加速器的基本原理；3 3）现代很多电子仪器中常会遇到电磁偏转。）现代很多电子仪器中常会遇到电磁偏转。（1 1）质谱仪：）质谱仪：进行质谱分析的仪器，进行质谱分析的仪器，即根据带电粒子在电磁场中即根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质原能够偏转的原理，按物质原子、分子或分子碎片的质量子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组差异进行分离和检测物质组成的一类仪器。成的一类仪器。（2 2）回旋加速
48、器）回旋加速器 在原子核物理和高能物理实验中，用来加速带电粒在原子核物理和高能物理实验中，用来加速带电粒子子,使之获得高能量的仪器。利用磁场使带电粒子作回旋使之获得高能量的仪器。利用磁场使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置。运动，在运动中经高频电场反复加速的装置。19301930年年E.O.E.O.劳伦斯提出其工作原理，劳伦斯提出其工作原理，19321932年首次研制成功。年首次研制成功。Bqmrv回旋加速器原理图回旋加速器原理图 在磁极间的真空室内有两个半圆形的在磁极间的真空室内有两个半圆形的金属扁盒（金属扁盒（D D形盒）隔开相对放置，形盒）隔开相对放置，D D形盒上加交
49、变电压，其间隙处产生交形盒上加交变电压，其间隙处产生交变电场。置于中心的粒子源产生带电变电场。置于中心的粒子源产生带电粒子射出来，受到电场加速，在粒子射出来，受到电场加速，在D D形盒形盒内不受电场力，仅受磁极间磁场的洛内不受电场力，仅受磁极间磁场的洛伦兹力，在垂直磁场平面内作圆周运伦兹力，在垂直磁场平面内作圆周运动。如果动。如果D D形盒上所加的交变电压的频形盒上所加的交变电压的频率恰好等于粒子在磁场中作圆周运动率恰好等于粒子在磁场中作圆周运动的频率，则粒子绕行半圈后正赶上的频率，则粒子绕行半圈后正赶上D D形形盒上极性变号，粒子仍处于加速状态。盒上极性变号，粒子仍处于加速状态。由于上述粒子
50、绕行半圈的时间与粒子由于上述粒子绕行半圈的时间与粒子的速度无关，因此粒子每绕行半圈受的速度无关，因此粒子每绕行半圈受到一次加速，绕行半径增大。经过很到一次加速，绕行半径增大。经过很多次加速，粒子沿螺旋形轨道从多次加速，粒子沿螺旋形轨道从D D形盒形盒边缘引出，能量可达几十兆电子伏特边缘引出，能量可达几十兆电子伏特（MeVMeV ）。）。回旋加速器的能量受制于随粒子速度增大的相对论效应，回旋加速器的能量受制于随粒子速度增大的相对论效应，粒子的质量增大，粒子绕行周期变长，从而逐渐偏离了交变粒子的质量增大，粒子绕行周期变长，从而逐渐偏离了交变电场的加速状态。进一步的改进有同步回旋加速器。电场的加速状
