1、 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，物自从牛顿奠定理论物理学基础以来，物理学的公理基础理学的公理基础换句话说，就是我们关于实换句话说，就是我们关于实在结构的概念在结构的概念最伟大的变革，是由法拉第和最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁学方面的工作所引起的。麦克斯韦在电磁学方面的工作所引起的。”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，为力学的发展开辟了一条正确的道路。学的发展开辟了一条正确的道路。电磁学构成了经典物
2、理学的另一重要分支。随电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，全部物理学归纳着一个个电磁学研究成果的取得，全部物理学归纳为力学的机械论观点宣告彻底失败。为力学的机械论观点宣告彻底失败。电磁理论的建立，完成物理学史上又一次大综合电磁理论的建立，完成物理学史上又一次大综合经典力学的建立，是物理学史上第一次大综合经典力学的建立，是物理学史上第一次大综合 19051905年爱因斯坦建立年爱因斯坦建立 狭义相对论狭义相对论18651865年麦克斯韦提出年麦克斯韦提出 电磁场理论电磁场理论18201820年年奥斯特发现奥斯特发现 电流对磁针的作用电流对磁针的作用公元前公元前6
3、00600年年 18311831年年法拉第发现法拉第发现 电磁感应电磁感应古希腊泰勒斯古希腊泰勒斯 第一次记载电现象第一次记载电现象 电磁理论的发展历程电磁理论的发展历程 本章将涉及下面一些科学家以及他们的重大发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、法拉第和麦克现，他们是：库仑、奥斯特、安培、法拉第和麦克斯韦等。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 静电和静磁现象的研究静电和静磁现象的研究3-2 电流的产生及其磁效应电流的产生及其磁效应3-3 电磁感应定律电磁感应定律3-4 麦克斯韦电磁场理论的建立麦克斯韦电磁场理论的建立 与
4、电磁波的发现与电磁波的发现内容提要内容提要: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究 1.我国古代电磁学我国古代电磁学东汉的王充东汉的王充论衡论衡乱龙篇乱龙篇 “顿牟顿牟(即玳瑁即玳瑁)掇芥，磁石引针掇芥，磁石引针”战国末年的战国末年的韩非子韩非子有度有度 “故先王立司南，以端朝夕故先王立司南，以端朝夕”商周时期的甲骨文中出现商周时期的甲骨文中出现“雷雷”，“电电”二字二字宋代沈括宋代沈括梦溪笔谈梦溪笔谈 “常微偏东，不全南也常微偏东，不全南也”英国医生英国医生吉尔伯特吉尔伯特(Gilbert)的的磁学论磁学论最早最早总
5、结前人对电磁研究的大量经验：总结前人对电磁研究的大量经验：吉尔伯特吉尔伯特2.早期西方电磁学早期西方电磁学伽利略称伽利略称“磁学论磁学论一书伟大得让人嫉妒一书伟大得让人嫉妒”1）电与磁是两种不同的现象；）电与磁是两种不同的现象；2）天然磁石本身具有磁性，玻璃和）天然磁石本身具有磁性，玻璃和 琥珀摩擦才能带电；琥珀摩擦才能带电；3）证明磁引力不受纸片的影响；）证明磁引力不受纸片的影响；4）磁铁切断仍有两极，没有单极的）磁铁切断仍有两极，没有单极的 磁铁存在。磁铁存在。3.3.静电现象的早期研究静电现象的早期研究 1660年德国工程师年德国工程师格里克格里克(Guericke,Otto von)发
6、明了第一台摩擦起电机，之后对静电研究才迅发明了第一台摩擦起电机，之后对静电研究才迅速开展起来。速开展起来。1729年英国科学年英国科学家家格雷格雷(Gray)发现了发现了导体与绝缘体的区别。导体与绝缘体的区别。1733年法国人年法国人迪费（迪费（Du Fay）经过实验区分经过实验区分出两种电荷。出两种电荷。他把玻璃上产生的电叫做他把玻璃上产生的电叫做“玻璃电玻璃电”（后来（后来富兰克林改称为正电）富兰克林改称为正电）,琥珀树脂上产生的电叫做琥珀树脂上产生的电叫做“树脂电树脂电”（改称为负电）。（改称为负电）。同号电荷彼此相斥同号电荷彼此相斥,异异号电荷彼此号电荷彼此相引相引总结出静电作用的基本
7、特性：总结出静电作用的基本特性：为了寻找一种保存电的方法，莱顿大学为了寻找一种保存电的方法，莱顿大学物理学物理学教授教授马森布罗克马森布罗克(Pieter von Musschen)在在1746年发年发明了能收集电荷的明了能收集电荷的“莱顿瓶莱顿瓶”。在一个孤立的带电系统中，无论发生什么在一个孤立的带电系统中，无论发生什么变化，系统所具有的变化，系统所具有的正负电荷电量的代数和正负电荷电量的代数和保保持不变持不变。4.电荷守恒定律：电荷守恒定律：1.电荷是物质的一种基本属性电荷是物质的一种基本属性;2.电荷有正负两种，电荷有正负两种，同号相排斥同号相排斥 异号相吸引异号相吸引;4.4.电荷的基
8、本性质电荷的基本性质:3.动画动画 1749年美国人年美国人富兰克富兰克林林(Franklin)注意到雷闪与注意到雷闪与放电有许多相同之处。放电有许多相同之处。1752年他通过在雷雨年他通过在雷雨天气将风筝放入云层，来天气将风筝放入云层，来进行雷击实验，证明了雷进行雷击实验，证明了雷闪就是放电现象。闪就是放电现象。.富兰克林著名风筝实验富兰克林著名风筝实验请问：雷电怎么形成的？请问：雷电怎么形成的？在正常条件下电是以一定的量在正常条件下电是以一定的量存在于所有物质中的一种元素；存在于所有物质中的一种元素；电跟流体一样，摩擦的作用可电跟流体一样，摩擦的作用可以使它从一物体转移到另一物体，以使它从
9、一物体转移到另一物体，但不能创造；但不能创造；任何孤立物体的电总量是不变的；任何孤立物体的电总量是不变的；摩擦时物体获得的电的多余部分叫做带正电，摩擦时物体获得的电的多余部分叫做带正电，物体失去电而不足的部分叫做带负电。物体失去电而不足的部分叫做带负电。富兰克林根据实验提出：富兰克林根据实验提出：富兰克林富兰克林动画动画 1931年由荷兰人年由荷兰人范德格拉夫范德格拉夫(Van de Graaff)发明，将机械发明，将机械能直接转换为电能的能直接转换为电能的直流高电压发生器。直流高电压发生器。范德格拉夫起电机范德格拉夫起电机应用应用:范德格拉夫起电机可用于静电喷漆和除尘范德格拉夫起电机可用于静
10、电喷漆和除尘 以及部分高电压实验等。以及部分高电压实验等。原理原理:尖端放电现象尖端放电现象动画动画21rf罗比逊实验装置罗比逊实验装置 二、库仑定律二、库仑定律(Coulombs law)1769年苏格兰人年苏格兰人罗比逊罗比逊(Robison)实验证明：实验证明：1767年年普里斯特利普里斯特利(Priestley)电学历史和现状及原始实验电学历史和现状及原始实验 “电的吸引力与万有引力服从同电的吸引力与万有引力服从同一规律，即与距离平方成反比一规律，即与距离平方成反比”=0.06指数偏差指数偏差 1777年法国科学院悬赏征求改良航海指南针中年法国科学院悬赏征求改良航海指南针中的磁针问题。
11、的磁针问题。库仑认为磁针支架在轴上，库仑认为磁针支架在轴上，必然会带来摩擦，提出用细头发必然会带来摩擦，提出用细头发丝或丝线悬挂磁针。研究中发现丝或丝线悬挂磁针。研究中发现线扭转时的扭力和针转过的角度线扭转时的扭力和针转过的角度成比例关系，从而可利用这种装成比例关系，从而可利用这种装置测出静电力和磁力的大小，这置测出静电力和磁力的大小，这导致他发明扭秤。导致他发明扭秤。1875年库仑通过电扭秤实验，测得年库仑通过电扭秤实验，测得=0.04，通，通过与万有引力类比，确信并提出了库仑定律：过与万有引力类比，确信并提出了库仑定律：在真空中，两个静止点电在真空中，两个静止点电荷之间的相互作用力的大小与
12、荷之间的相互作用力的大小与它们的电量它们的电量 q1 1和和q2的乘积成正的乘积成正比，与它们之间的距离比，与它们之间的距离 r 的平的平方成反比，作用力的方向沿着方成反比，作用力的方向沿着它们的联线，同号相斥，异号它们的联线，同号相斥，异号相吸相吸库仑用扭秤测量电库仑用扭秤测量电场力和磁场力，导场力和磁场力，导出著名的库仑定律。出著名的库仑定律。022112Ferqqk041k12010854187817.8C2/（Nm2）如果令如果令F12表示表示q2对对q1的作用力，的作用力，r12=r1-r2表示表示由由q2指向指向q1的矢量，的矢量，e表表示其单位矢量，示其单位矢量，库仑定律库仑定律
13、可以表示为：可以表示为：r1r2r21r12F12F21+q2+q1式中比例系数式中比例系数k为为真空中的真空中的介电常数介电常数例例:在氢原子中，电子和质子间距约为在氢原子中，电子和质子间距约为5.310-11m。2191221211 2081.69 10144 3.1415 8.854 10(5.3 10)8.2 10eq qFrN113127122112476.7 109.1 101.7 10(5.3 10)3.7 10gm mFGrN两者间的万有引力为：两者间的万有引力为：两者间的静电力为：两者间的静电力为：结论：库仑力远大于万有引力结论：库仑力远大于万有引力 三、从库仑定律的建立看类
14、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，但他断定力与距离成平方反，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。比，是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。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
15、核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。力和电磁力类比，成功地提出了核力的介子理论。他说：他说：“类比是一种创造性思维的形式，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”。有时简单的类比也会导致错误的结果。如惠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。类比结果是否正确还得由实验检验。
