1劃時代的發(fā)現(xiàn)

1、第一節(jié)劃時代的發(fā)現(xiàn)【同步導學】指導學生認真閱讀教材和相關材料， 使學生認識到每一個重大發(fā)現(xiàn)的背后總有許多動人的故事 這些故事告訴我們關于科學家執(zhí)著的信念和追求以及他們對待科學的嚴謹態(tài)度 科學從來就不是一蹴而就的， 它需要我們不斷付出艱辛努力， 加之正確的思維方法和嚴謹的科學態(tài)度， 唯有如此才能獲得成功！【閱讀材料】學生閱讀下列資料后寫一篇文章，題目自定，并組織學生交流評估。偶然中的必然18 世紀中期，電學也說不準因為什么緣故一下騰飛了起來。電學王國里緊鑼密鼓，好不熱鬧。起電機、萊頓瓶、伏打電堆、白熾燈，新奇的發(fā)明一個連著一個。但是磁學園地卻依然是門可羅雀，無人間津。這件事說來說去倒要怪那位電磁

2、學之父吉爾伯特的不是。前面說過，遠在古希臘時代，人們就把“慈石召鐵”和“琥珀吸芥”看成是一類事情，都是一種神秘莫測的超自然現(xiàn)象。所以許多年來每當那些神學家碰到講不清道理的事情時，就會說：“這種現(xiàn)象太神秘了，就和慈石、琥珀一個樣。”可是到了 17 世紀，吉的白特對電和磁現(xiàn)象做了仔細分析、對比之后，卻一口說：“這是兩種截然不相同的自然現(xiàn)象，不能把它們混為一談?！奔獱柌禺吘故强茖W泰斗，他的話一言九鼎，誰會去提疑問，奉承還來不及哩！1780 年電學家?guī)靵稣f：“電和磁是完全不相同的實體。 ” 1802年安培自告奮勇地表示： “我樂意去證明電與磁是兩種不同的實體。 ” 1807 年光學家揚在自然哲學講義

3、一書中寫道：“沒有任何理由去設想電與磁之間存在著任何直接的聯(lián)系。”這樣一來由于對權威的迷信，束縛了不少有才華的電學家不再去留意電與磁的親緣關系。而打破這一思想桎梏的卻是一批德國哲學家。因為他們不僅看見樹木，還看見了森林。當時的哲學大師康德、謝林，以及后來的黑格爾、馬克思都是然界對立統(tǒng)一觀點的信奉者?？档略谧匀豢茖W的形而上學一書中寫道：“人們只能經驗到兩種力吸引和排斥。熱、電、磁等都是這兩種基本力在不同的物理條件下的變形。 事實上只要稍加留意，電與磁的緊密聯(lián)系是時時可見的。1735 年 7月就發(fā)生過這樣一件事：在蘇格蘭的一個小鎮(zhèn)上有家鐵匠鋪。老板名叫威克菲爾德，一天下午他正在干活，突然吹來一陣風

4、，門窗搖得嘎嘎直響。他趕緊走到窗口探頭張望，只見西邊天上的烏云如潑了一天的墨汁，似浪似濤般地壓過來?！皢?，要下雷雨了。”他想去關門窗，這時銅錢般的雨點已經如瓢灑盆潑般傾瀉下來。只見一道紅光在窗前亮起， 接著就是嘎嘣一聲脆雷。嚇得他一頭栽倒在地， 全身不停地哆嗦 一陣雷雨過后，雨過天晴。他才戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢地站起來，走向鐵鉆墩定神一看，奇怪，原來散落在四周地上的鐵釘、銼刀和薄鐵片全一鼓腦兒粘到鐵墩上去了。鐵墩變成了一塊大磁鐵了！小鎮(zhèn)上的人見識少，都以為是神在顯靈。消息傳開后，也有一些科學家聽說了這樣的怪事，猜想著雷電與磁石之間可能存在著某種聯(lián)系吧！1751 年富蘭克林在試驗他的萊頓瓶時，就發(fā)現(xiàn)了萊頓瓶放

5、電可以使焊條和鋼針磁化，也可以使它們退磁。戴維在研究電極的炭棒之間的弧光時，也注意到磁鐵會吸引或排斥弧光，還能使弧光跟著磁鐵條轉動。這類報道一天天多起來，1774 年德國巴伐尼亞電學院出了一個有獎征文，題目是：電力和磁力是否存在著實際和物理的相似性呢 ?，征文吸引了不少學者去探索這個有趣的課題，但是沒有取得具體的成果。正是光陰如梭，轉眼幾十年過去了，不覺到了19 世紀。當時丹麥的著名學府哥本哈根大學有一位年輕的物理教授名叫奧斯特(1777-1851) ，他是一位藥劑師的兒子，從小受過良好的教育。他興趣廣泛，學識淵博。不僅在物理，化學和天文學有精湛的造詣。而且還喜愛文學與哲學。他與著名童話作家安

6、徒生是好朋友，經常在一起吟詩唱和。 在哲學上他崇拜德國的哲學大師康德。他在 1799 年做的博士論文就選了對康德哲學體系的評論做題目。因此他堅信物理學不應該是關于運動、力、熱、空氣、光、電等許多現(xiàn)象的羅列，而應該把整個宇宙容納在一個體系中。諸位讀者，如果想在物理學上做出成績的話，哲學書是不可不讀的。正如恩格斯所說，擯棄哲學的人，實際上卻成了最壞的一種哲學的奴隸。且說奧斯特用充滿了智慧的康德哲學武裝了頭腦，看起問題來真是思路敏捷、高瞻遠矚。當他了解到萊頓瓶放電會使鋼針磁化的事實后，立即斷言： “電轉化為磁是不成問題的事，關鍵在于尋找出轉化的條件?！彼屑殞徸x了庫侖的論文，發(fā)現(xiàn)庫侖研究的對象全是靜

7、電和靜磁，這兩者確實是難以轉化的。他猜測在非靜電，也就是電流與非靜磁之間也許存在著某種轉化的可能。這些想法一直縈繞在他的腦中，一天天地成熟、完整起來。他堅信終有一天，會瓜熟蒂落、水到渠成。這一天終于來到了。1820 年 4 月某日晚上，他與往常一樣到大學講電學課。當他從容地講完了課的內容，最后要演示一下伏打電堆的功能。當他手忙腳亂地安裝儀器的時候 (他的動手能力并不好， 有人說他是一位天才和不幸的實驗家。)腦中忽然閃過一個靈感。他似乎看到那根長導線產生的磁現(xiàn)象像它發(fā)熱、發(fā)光那樣向四面散射開來。對電流對磁體的作用也可能是“橫向”的而不是“縱向”的處，于是他靈機一動，把靈敏小磁針平行地放在那根細長

8、的鉑金導線下面。“合 閘”，奧斯特一邊說一邊按下了開關。就在接通電源的一瞬間，前排的學生脫口喊道：“磁針動了！ ”奧斯特一驚，急慌切斷電源。這一次他看清楚了，小磁針還在微微地晃動哩!十年來朝思暮想的電磁聯(lián)系，竟這樣方便地找到了。真是踏破鐵鞋無覓得來全不費功夫。奧斯特激動得忘形失態(tài)，竟在講臺上滑了一跤。教室里的學生大驚失色，想教授今天怎么了 ?奧斯特也顧不得許多，草草結束了課，連奔帶跑地回家去了。此后他一連三月，閉門謝客潛心實驗。一連試了60 多次，都成功了。就是在導線和磁針之間放上木頭、 玻璃、水、松香等非磁性物質也都不會影響磁針的偏轉。(請同學們也重復一下上述實驗)。1820 年 7 月 2

9、1 日奧斯特發(fā)表了關于磁體周圍電沖突的實驗論文。這篇短短僅幾頁紙的論文向學術界宣告了電流的磁效應，立即轟動了整個歐洲大陸。法國化學和物理年鑒>> 雜志發(fā)表斯特的論文的時候，特地加了如下的按語；“年鑒的讀者都知道，本刊從不輕易地支持宣稱有驚人發(fā)現(xiàn)的報告 但是，至于說到奧斯特先生的文章，則其所得的結果無論顯得多么奇特，都有極詳細的記錄為證，以至無任何懷疑其謬誤的余地?！狈ɡ诤髞碓谠u價這一發(fā)現(xiàn)時說； “它猛然打開了一個科學領域的大門，那里過去是一片漆黑，如今充滿了光明?！碑斎灰部傆心敲匆恍┤耍f奧斯特的發(fā)現(xiàn)是瞎貓碰上了死老鼠，完全是偶然碰上的。這實在只能說那些人是多么的無知。伽利略從吊

10、燈發(fā)現(xiàn)了單擺原理；牛頓從蘋果落地聯(lián)想到地、月之間的萬有引力：伽伐尼從蛙腿抽搐聯(lián)想到生物電，哪一樣不是看起來“偶然碰上”的呢!俗話說：“踏破鐵鞋無覓處，得來全不費功夫?！笔聦嵣瞎Ψ蚴腔?，而且花得很大，全花在“覓”字上了，否則怎么連鐵鞋都要踏破呢!如果奧斯特不是十年如一日地含辛茹苦地鉆研，那么再偉大的奇跡出現(xiàn)，他也會視而不見，聽而不聞。消息傳到了瑞士，一位在那里兼職的法國學者阿拉果(1786 1853)聽了也覺得不是滋味。原來他也一直在研究電磁之間的相互聯(lián)系，只是沒有尋找出電磁轉化的具體條件。 如今眼睜睜地看到即將取得的成果已被別人占了先，心里真有點酸溜溜。但轉念一想，科學大道既寬又廣，我何不另

11、辟蹊徑鉆研下去，也許還有更大的成果等著哩 !想到這里他再也坐不住了，趕緊買車票回巴黎去，原來他想與好朋友安培痛痛快快暢談一下。法拉第法拉第 1791 年 9 月 22 日生在一個手工工人家庭，家里人沒有特別的文化，而且頗為貧窮 法拉第的父親是一個鐵匠法拉第小時候受到的學校教育是很差的十三歲時，他就到一家裝訂和出售書籍兼營文具生意的鋪子里當了學徒但與眾不同的是他除了裝訂書籍外，還經常閱讀它們他的老板也鼓勵他，有一位顧客還送給了他一些聽倫敦皇家學院講演的聽講證1812 年冬季一天，正當拿破侖的軍隊在俄羅斯平原上遭到潰敗的時候，一位二十一歲的青年人來到了倫敦皇家學院，他要求和著名的院長戴維見面談話作

12、為自薦書，他帶來了一本簿子，里面是他聽戴維講演時記下的筆記 這本簿子裝訂得整齊美觀， 這位青年給戴維留下了很好的印象戴維正好缺少一位助手，不久他就雇用了這位申請者當上了戴維的助手后，不久他就成為皇家學院的一員1813 年戴維夫婦決定去歐洲大陸游歷，他們帶著法拉第作為秘書這次旅游進行了18 個月，這對法拉第的教育起了重大作用他見到了許多著名的科學家，像安培、伏特、阿拉戈和蓋·呂薩克等，其中幾位學者立即發(fā)現(xiàn)了這位陪伴戴維的樸實年青人的才華法拉第的科學活動是驚人的他從歐洲大陸旅游回來后，幾年內都致力于化學分析，并在皇家學院擔任助手工作，其中包括對戴維的重要協(xié)助他在1816 年發(fā)表的第一篇論

13、文，是論述托斯卡納生石灰的性質的1860 年前后，法拉第的研究活動結束時，他的實驗筆記已達到一萬六千多條，他仔細地依次編號，分訂成許多卷，在這里法拉第快樂的顯示了他過去當裝訂工時學會的高超技能這些筆記以及其他在裝訂成書以前或以后的幾百條筆記，都已編成書分卷出版，其中最著名的是他的電學實驗研究 法拉第所研究的課題廣泛多樣，按編年順序排列,有如下各方面：鐵合金研究（ 1818 1824）；氯和碳的化合物 （ 1820）；電磁轉動（ 1821 ）；氣體液化（ 1823，1845）；光學玻璃（ 1825 1831 ）；苯的發(fā)明（ 1825）；電磁感應現(xiàn)象（ 1831）；不同來源的電的同一性（ 1832

14、）；電化學分解（ 1832 年起）；靜電學，電介質（ 1835 年起）；氣體放電（ 1835 年）；光、電和磁（ 1845 年起）；抗磁性（ 1845 年起）； "射線振動思想 "（ 1846 年起）；重力和電（ 1849 年起）；時間和磁性（ 1857 年起）在大約 1830 年以前，法拉第主要是一位化學家，但他曾在1821 年第一次著手研究電和磁，可能由此而種下了種子，十年以后即有了偉大的發(fā)現(xiàn)法拉第的第一個科學活動時期終止于1830 年，那時他已成為很有成就的專業(yè)分析化學和實際顧問，而且更重要的是，由于他的堅實的科學成就，已贏得了國際聲譽這些科學成就包括制備一些新的碳化

15、合物，如由他命名的" 高氯化碳 " 或現(xiàn)代命名的"六氯乙烷"CCI 3 CC13 和四氯乙烯CCI 2： CC12，以及研究倫敦照明用的氣體（法拉第的哥哥在該部門工作） 這種氣體是用動物油加熱而制成的，儲存在圓柱形鐵罐內，它往往在鐵罐內殘留下一種液體法拉第非常仔細而巧妙地對這種殘余液體進行了分析，發(fā)現(xiàn)它含有一種沸點固定在 80的成分，它的大致組分為 CH這就是苯，它是有機化學的主要支柱之一但是法拉第發(fā)現(xiàn)苯時，并沒有認識到它在后來的重要性，當然也不了解它的奇異的分子結構這些發(fā)明和發(fā)現(xiàn)表明，如果法拉第沒有其他貢獻，他也將被認為是杰出的化學家事實上，在十九世紀

16、二十年代，他就已成功地液化了好幾種氣體他最初所用的儀器非常簡陋， 只是一個彎成倒 "V" 字形的結實的玻璃管 他在玻璃管一端放入產生氣體的物質，把另一端浸在致冷混合液體中這時放出的氣體使管內的壓力增加他就是采用這種簡單技巧，液化了氯、二氧化硫、硫化氫、二氧化碳、一氧化二氮、氨、氯化氫以及其他物質1818 年起，法拉第和一位外科醫(yī)生、皇家學會會員斯托達特合作了幾年，試圖制造出一種改良鋼，它的防銹能力要比英國當時所用的鋼產品更強，能用來制造更鋒利的刀片當時的冶金技術仍然偏重于經驗技術印度生產的一種"烏茲鋼 "，是當時最優(yōu)質的刀片鋼法拉第和斯托達特在鐵內摻入其

17、他金屬，例如鉑、銀、鈀、鉻等，制成了各種合金鋼， 但斯托達特在1823 年去世，法拉第轉到其他工作去了他們當時是可能發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代冶金學的一些重要結果的他們所制刀片的一些樣品至今仍保存著，其中有一些質量很高所有這些工作都證明了法拉第卓越的化學才能和工藝才能他把他的豐富經驗總結為一本六百多頁的巨著化學操作中，于1827 年出版這是法拉第除了電學研究和其他研究論文集外所寫的唯一的一本書就是在今天仔細閱讀它，也會給人一種直接和新穎的非凡印象戴維曾想表示他對法拉第的感激，但皇家學院經濟一直困難1825 年他建議任命法拉第為實驗室主任，以表示他的敬意此后不久，法拉第創(chuàng)辦了一個定期的"星期五晚講座 &

18、quot; ，至今仍延續(xù)下來法拉第曾花費了許多精力來提高他的講演藝術，并且為此而名聲卓著他對講演提出了各種建議和準則，完善到包括一切細節(jié)，這些建議和準則一直傳給了皇家學院現(xiàn)在的講演人盡管皇家學院的聽講費頗為昂貴，但只要是法拉第講演，講演大廳里就會擠得水泄不通其他人的講演平均只有三分之二的聽眾除了星期五晚講座外，法拉第還為兒童設立了專門的通俗講演，在圣誕節(jié)期間舉行，他的圣誕節(jié)講座的主題之一是蠟燭的化學史一個多世紀以來，曾經鼓舞了無數青年人，使他們從中獲得快樂這本書已被譯成了許多種文字一旦有了可能，法拉第就拒絕大部分兼職工作，嚴格地削減社會活動，而把全部精力用于實驗研究人們得到的印象是，只有實驗研

19、究才是他真正的興趣所在他不參加任何社會活動，拒絕了許多授給他的榮譽，包括1857 年要選他為皇家學會會長法拉第成就最大的時期是1830 至 1839 年，當時他是對現(xiàn)代電學發(fā)現(xiàn)做出貢獻的第一流科學家 1821 年他研究了奧斯特發(fā)現(xiàn)的電流的磁作用，做出了一項重大發(fā)現(xiàn)：磁作用的方向是與產生磁作用的電流的方向垂直的法拉第還制成了一種電動機，證明了導線在恒定磁場內的轉動他甚至還證明了在地磁場內的這種轉動這個實驗給他本人和他的同時代人都留下了深刻的印象法拉第堅信，電與磁的關系必須被推廣，如果電流能產生磁場，磁場也一定能產生電流 法拉第為此冥思苦想了十年 他做了許多次實驗結果都失敗了直到 1831年年底，

20、他才取得了巨大的突破他發(fā)明了一種電磁電流發(fā)生器，這就是最原始的發(fā)電機這時的法拉第不僅做出了跨時代的貢獻而且奠定了未來電力工業(yè)的基礎曾有一個政治家問法拉第，他的發(fā)明有什么用處 他回答說： "我現(xiàn)在還不知道，但有一天你將從它們身上去抽稅"抗磁性是法拉第的另一大發(fā)現(xiàn)許多物質在做成細針時會使自己的方向垂直于磁力線而且它被磁鐵的兩極推開，這種行為是由很弱的力產生的，它要比作用在磁場中鐵上的力弱得多這是很值得仔細研究的一種現(xiàn)象，為此法拉第花費了好幾個月來研究它法拉第在他的一篇短文對射線振動的一些想法中包含了一些令人驚異的新的基本觀點到十八年后，麥克斯韋建立了光的電磁理論，他說：&quo

21、t; 法拉第教授在他的對射線振動的一些想法一文中明確地提出了橫向磁擾動的傳播的概念而為非正常的磁擾動他提出的光的電磁理論，實質上和我在這篇文章中開始提出的是相同的，不同是只是在 1846 年還沒有實驗數據可以用來計算傳播速度"在十九世紀五十年代，法拉第的科學活動能力有所減弱他又為記憶力和日益衰退而苦惱他雖然仍能做些實驗，但速度已不如前他力圖找出重力和電之間的相互作用，結果是否定的但這探索從法拉第愛因斯坦，一直到現(xiàn)在，仍在繼續(xù)進行 1862 年法拉第做了最后一次實驗，試圖發(fā)現(xiàn)磁場對放在磁場內的光源發(fā)出的光線的影響，但結果是否定的，因為他用的儀器還不夠靈敏，不能探測到這種微細的效應三十年

22、后，當時還是青年的塞曼，從閱讀法拉第的實驗計劃受到啟發(fā)，他用更精密的儀器重新做實驗，發(fā)現(xiàn)了塞曼效應，它是新原子物理學的先兆之一1860 年他發(fā)表了他最后一次圣誕節(jié)講演，18645 年他辭去了皇家學院教授職務他于 1867 去世，終年七十六歲 法拉第被公認為最偉大的"自然哲學家 "之一法拉第的偉大成功也許部分地正是由于他所生活的時代豐富的想象力加上足智多謀的實驗才能，工作熱情和相應的耐性，使他能夠迅速地分辨假象，統(tǒng)觀一切他具有哲學思想，他在幾何學和空間上的洞察力，以及善于持久思考的能力，正好補償了他數學上的不足在他留下來的筆記中，有下面一段話：“我一直冥思苦索什么是使哲學家獲

23、得成功的條件是勤奮和堅韌精神加上良好的感覺能力和機智嗎？難道適度的自信和認真精神不是必要的條件嗎？許多人的失敗難道不是因為他們所向往的是獵取名望，而不是純真地追求知識，以及因獲得知識而使心靈得到滿足的快樂嗎？我相信，我已見到過許多人，他們是矢志獻身于科學的高尚的和成功的人，他們?yōu)樽约韩@得了很高名望，但是還有一種此在他們心靈上總是存在著妒忌或后悔的陰影，我不能設想一個人有了這種感情能夠做出科學發(fā)現(xiàn)至于天才及其威力，可能是存在的，我也相信是存在的，但是，我長期以來為我們實驗室尋找天才卻從未找到過不過我看到了許多人，如果他們真能嚴格要求自己，我想他們已成為有成就的實驗哲學家了”開爾文勛爵對法拉第非常

24、了解，他在紀念法拉第的文章中說：“他的敏捷和活躍的品質，難以用言語形容他的天才光輝四射，使他的出現(xiàn)呈現(xiàn)出智慧之光，他的神態(tài)有一種獨特之美，這有幸在他家里-皇家學院見過他的任何人都會感覺到的，從思想最深刻的哲學家到最質樸的兒童”法拉第的科學思想方法確信各種運動形式的相互聯(lián)系和相互轉化法拉第對自然力 (或能 )的統(tǒng)一性具有堅定的信念， 他始終不渝地為證實各種現(xiàn)象之間的普遍聯(lián)系而努力。他在關于光的偏振面的磁致偏轉文的開始就明確指出：“我長期以來堅持種看法，幾乎可以說是確信， 物質的力借以表現(xiàn)出來的各種形式，都有個共同的起源，或者換句說，它們如此地直接關聯(lián)和相互依賴，以至好像可以從種形式轉換成另種形式

25、并在它們的作用中具有相等的能力。相信并力圖揭示自然力的“統(tǒng)一性”這一指導思想是貫穿他整個研究工作的一條主線。他堅持不懈地為從實驗上證實電、磁、光之間的聯(lián)系而努力。顯然，電磁感應現(xiàn)象和磁致旋光現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)都是在他的關于自然力之統(tǒng)的思想指導下得出的。法拉第在 1831 年發(fā)現(xiàn)了電磁感應， 揭示了電與磁的相互聯(lián)系后，并不就此止步，而是讓研究繼續(xù)向前發(fā)展，揭示自然界各種運動形式的普遍聯(lián)系。1833 年，法拉第研究了用各種不同的方法產生的電( 摩擦電、電池的電、動物電、溫差熱電、電磁感應產生的電等等)是否是同一種電的問題，他在比較了各種電產生的物理效應后得出結論：“電的所有這些形式，與得到它們的來源無關，

26、在其本質上是完全相同的?！?834 年，法拉第研究了電與化學的關系，得出了電解定律，即電解所析出的物質的質量與溶液的電量成正比，與析出物的化學當量，亦即與原于價除以原子量的數值成正比。他已將化學親和力，即各種原子之間相互結合的吸引力，理解為參與化學反應的物質粒子的電吸引力。 他說：“我們相信物質的原子被以某種方式賦予了電力或者與電力相關聯(lián)，我們把大多數物質的明顯屬性歸之于物質的原子，其中就有它們相互之間的化學親和力。 ”他又說：“化學親和力和電力是同種力。 他反對用接觸理論說明電池中電的來源的流行觀念，認為接觸理論實際上是種無中生有的能和力的創(chuàng)生說，是和我們已知的各種形式的自然力之間可以互相轉換但決不能憑空產生的事實相矛盾的。 他說：“ 電池的電本身僅僅是真實的化學作用或它的原動力的一種發(fā)揮形式，或展現(xiàn)方式，或存在方式，因此我早已說過我贊同那些人的觀點，即相信電的供應是來自化學能?！?845 年，法拉第發(fā)現(xiàn)了光的振動面在強磁場中的旋轉。這表示光學現(xiàn)象與磁學現(xiàn)象間存在內在的聯(lián)系。當他用束偏振光順著磁力線方向透過置于強電磁鐵的兩個磁極之間的“重玻璃”時，利用尼科耳棱鏡，他發(fā)現(xiàn)光的偏振面發(fā)生了一定角度的