高中物理：3.2電磁場(chǎng)與電磁波 素材粵教版選修3-4)

1、麥克斯韋簡(jiǎn)介麥克斯韋(James Clerk Maxwel 18311879)英國(guó)物理學(xué)家，1831年6月13日生于英國(guó)愛(ài)丁堡的一個(gè)地主家庭，8歲時(shí)，母親去世，在父親的誘導(dǎo)下學(xué)習(xí)科學(xué)，16歲時(shí)進(jìn)入愛(ài)丁堡大學(xué)，1850年轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)研習(xí)數(shù)學(xué)，1854年以優(yōu)異成績(jī)畢業(yè)于該校三一學(xué)院數(shù)學(xué)系，并留校任職。1856年到阿伯丁的馬里沙耳學(xué)院任自然哲學(xué)教授。1860年到倫敦任皇家學(xué)院自然哲學(xué)及天文學(xué)教授。1865年辭去教職還鄉(xiāng)，專心治學(xué)和著述。1871年受聘為劍橋大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授，負(fù)責(zé)籌建該校的第一所物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，1874年建成后擔(dān)任主任。1879年第11月5日在劍橋逝世，終年只有49歲。

2、科學(xué)成就麥克斯韋自幼聰穎，15歲就發(fā)表過(guò)數(shù)學(xué)論文，一生從事過(guò)許多方面的物理學(xué)研究工作:1麥克斯韋在物理學(xué)中的最大貢獻(xiàn)是建立了統(tǒng)一的經(jīng)典電磁場(chǎng)理論和光的電磁理論，預(yù)言了電磁波的存在。而這種理論預(yù)見(jiàn)后來(lái)得到了充分的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。1873年，麥克斯韋完成巨著電磁學(xué)通論，這是一部可以同牛頓的自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理相媲美的書(shū)，具有劃時(shí)代的意義。2麥克斯韋在電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)方面也有重要貢獻(xiàn)。他建立了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的嚴(yán)格理論，并重復(fù)卡文迪許的實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)精度提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)。他的驗(yàn)證理論成為后世精確驗(yàn)證靜電力平方反比定律的依據(jù)。此外他還發(fā)明了麥克斯韋電橋。3麥克斯韋在分子動(dòng)理論方面的功績(jī)也是不可磨滅的。他運(yùn)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法導(dǎo)出

3、了分子運(yùn)動(dòng)的麥克斯韋速度分布律。還研究過(guò)土星的光環(huán)和視覺(jué)理論，創(chuàng)立了定量色度學(xué)。他負(fù)責(zé)建立起來(lái)的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，在他和以后幾位主任的領(lǐng)導(dǎo)下，發(fā)展成為名聞世界的學(xué)術(shù)中心之一。在其短暫的生涯中，麥克斯韋邁出了物理學(xué)中從未有人走過(guò)的最重要的幾步，他的成就無(wú)論在深度和廣度上都可以和愛(ài)因斯坦相比擬，甚至難以想象，如果不是受到麥克斯韋工作的啟發(fā)，愛(ài)因斯坦會(huì)取得那么巨大的成功。愛(ài)因斯坦在自傳中說(shuō)：“在我求學(xué)的時(shí)代，最吸引人的題目就是麥克斯韋的理論”，“特殊的相對(duì)論起原于麥克斯韋的電磁場(chǎng)方程”。1931年，在紀(jì)念麥克斯韋誕生100周年時(shí)，愛(ài)因斯坦把麥克斯韋的電磁場(chǎng)貢獻(xiàn)評(píng)價(jià)為“自牛頓時(shí)代”以來(lái)物理學(xué)所經(jīng)歷的最深

4、刻最有成效的變化?！?趣聞?shì)W事 1854年，麥克斯韋畢業(yè)后不久，就讀到了法拉第的名著電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。法拉第在這書(shū)中，把他數(shù)十年研究電磁現(xiàn)象的心得歸結(jié)為“力線”的概念。法拉第做了一個(gè)構(gòu)思精細(xì)、設(shè)計(jì)巧妙的實(shí)驗(yàn)：把鐵粉撒在磁鐵周?chē)F粉就呈現(xiàn)出有規(guī)則的曲線，從一磁極到另一磁極，連續(xù)不斷。法拉第把這種曲線稱為力線，他還進(jìn)一步用實(shí)驗(yàn)證明，這種力線具有物理性質(zhì)。他把布滿磁力線的空間稱為磁場(chǎng)，而磁力就是通過(guò)連續(xù)磁場(chǎng)傳遞的。麥克斯韋完全被書(shū)中的實(shí)驗(yàn)和新穎的見(jiàn)解吸引住了。法拉第的著作，把他帶到一個(gè)嶄新的知識(shí)領(lǐng)域，使他無(wú)比神往。 一年之后，24歲的麥克斯韋發(fā)表了法拉第的力線，這是他第一篇關(guān)于電磁學(xué)的論文。在論文中，

5、麥克斯韋通過(guò)數(shù)學(xué)方法，把電流周?chē)嬖诖帕€這一特征，概括為一個(gè)數(shù)學(xué)方程。這一年，恰好法拉第結(jié)束了長(zhǎng)達(dá)30多年的電學(xué)研究，在科學(xué)筆記上寫(xiě)下了最后的一頁(yè)。麥克斯韋接過(guò)了這位偉大先驅(qū)手中的火炬，開(kāi)始向電磁領(lǐng)域的縱深挺進(jìn)。四年后，在一個(gè)晴朗的春天，麥克斯韋特意去拜訪法拉第。他們雖然通信幾年了，還沒(méi)有見(jiàn)過(guò)面。這是一次難忘的會(huì)晤。兩人一見(jiàn)如故，親切交談起來(lái)。陽(yáng)光照耀著這兩位偉人。他們不僅在年齡上相隔四十年，在性情、愛(ài)好、特長(zhǎng)等方面也頗不相同，可是他們對(duì)物質(zhì)世界的看法卻產(chǎn)生了共鳴。這真是奇妙的結(jié)合：法拉第快活、和藹，麥克斯韋嚴(yán)肅、機(jī)智。老師是一團(tuán)溫暖的火，學(xué)生是一把鋒利的劍。麥克斯韋不善于說(shuō)話，法拉第演講起

6、來(lái)娓娓動(dòng)聽(tīng)。兩人的科學(xué)方法也恰好相反：法拉第專于實(shí)驗(yàn)探索，麥克斯韋擅長(zhǎng)理論概括。在談話中，法拉第提到了麥克斯韋四年前的論文法拉第的力線。當(dāng)麥克斯韋征求他的看法時(shí)，法拉第說(shuō)：“我不認(rèn)為自己的學(xué)說(shuō)一定是真理，但你是真正理解它的人?！薄跋壬芙o我指出論文的缺點(diǎn)嗎？”麥克斯韋謙虛地說(shuō)?！斑@是一篇出色的文章”，法拉第想了想說(shuō)，“可是你不應(yīng)停留于用數(shù)學(xué)來(lái)解釋我的觀點(diǎn)，而應(yīng)該突破它。”“突破它！”法拉第的話大大地鼓舞了麥克斯韋，他立即以更大的熱忱投入了新的戰(zhàn)斗，要把法拉第的研究向前推進(jìn)一步。麥克斯韋在緊張的研究中，兩年的時(shí)光過(guò)去了。這是努力探求的兩年，也是豐收的兩年。1862年，麥克斯韋在英國(guó)哲學(xué)雜志上，發(fā)

7、表了第二篇電磁論文論物理的力線。文章一登出來(lái)，立即引起了強(qiáng)烈的反響。這是一篇?jiǎng)潟r(shí)代的論文，它與七年前麥克斯韋的第一篇電磁論文相比，有了質(zhì)的飛躍。因?yàn)檎撐锢淼牧€，不再是法拉第觀點(diǎn)單純的數(shù)學(xué)解釋，而是有了創(chuàng)造性的引伸和發(fā)展。 麥克斯韋從理論上引出了位移電流的概念，這是電磁學(xué)上繼法拉第電磁感應(yīng)提出后的一項(xiàng)重大突破。麥克斯韋并未到此為止。他再一次發(fā)揮自己的數(shù)學(xué)才能，由這一科學(xué)假設(shè)出發(fā)，推導(dǎo)出兩個(gè)高度抽象的微分方程式，這就是著名的麥克斯韋方程式。這組方程不僅圓滿地解釋了法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象，還作了推廣：凡是有磁場(chǎng)變化的地方，周?chē)还苁菍?dǎo)體或者介質(zhì)，都有感應(yīng)電場(chǎng)存在。方程還證明了，不僅變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，

8、而且變化的電場(chǎng)也產(chǎn)生磁場(chǎng)。經(jīng)過(guò)麥克斯韋創(chuàng)造性的總結(jié)，電磁現(xiàn)象的規(guī)律，終于被他用明確的數(shù)學(xué)形式揭示出來(lái)。電磁學(xué)到此才開(kāi)始成為一種科學(xué)的理論。 在自然科學(xué)史上，只有當(dāng)某一科學(xué)達(dá)到了成熟階段，才可能用數(shù)學(xué)表示成定律形式。這些定律不僅能解釋已知的現(xiàn)象，還可以揭示出某些尚未發(fā)現(xiàn)的東西。正如牛頓的萬(wàn)有引力定律預(yù)見(jiàn)了海王星一樣，麥克斯韋的方程式預(yù)見(jiàn)了電磁波的存在。因?yàn)?，既然交變的電?chǎng)會(huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，而交變的磁場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生交變的電場(chǎng)，這種交變的電磁場(chǎng)就會(huì)以波的形式，向空間散布開(kāi)去。麥克斯韋作出這一預(yù)見(jiàn)時(shí)，年僅31歲。這是麥克斯韋一生中最輝煌的一年。麥克斯韋繼續(xù)向電磁領(lǐng)域的深度進(jìn)軍。1865年，他發(fā)表了第三篇電

9、磁學(xué)論文。在這篇重要文獻(xiàn)中，麥克斯韋方程的形式更完備了。他并且采用一種新的數(shù)學(xué)方法，由方程組直接推導(dǎo)出電場(chǎng)和磁場(chǎng)的波動(dòng)方程，從理論上證明了電磁波的傳播速度正好等于光速！這與麥克斯韋四年前用實(shí)驗(yàn)推算出的結(jié)論完全一致。至此，電磁波的存在是確信無(wú)疑了！于是，麥克斯韋大膽地宣布：世界上存在一種尚未被人發(fā)現(xiàn)的電磁波，它看不見(jiàn)，摸不著，但是它充滿在整個(gè)空間。光也是一種電磁波，只不過(guò)它可以被人看見(jiàn)而已。麥克斯韋的預(yù)言，震動(dòng)了整個(gè)物理界，麥克斯韋電磁學(xué)通論的出版，成了當(dāng)時(shí)物理學(xué)界的一件大事，第一版幾天內(nèi)就銷售一空。 任何新理論的問(wèn)世，都要經(jīng)過(guò)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。電磁學(xué)通論雖然被搶購(gòu)，但真正讀懂它的人卻不多。不久，就聽(tīng)

10、到有人批評(píng)它艱深難懂。電磁理論問(wèn)世后，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，并未得到科學(xué)界和社會(huì)的承認(rèn)，最初，只有一些劍橋大學(xué)的青年科學(xué)家支持他。許多人，包括一批卓有威望的學(xué)者，對(duì)未經(jīng)證明的新理論都采取觀望態(tài)度。一位著名的現(xiàn)代物理學(xué)家曾感嘆說(shuō)：“麥克斯韋的思想是太不平常了，甚至象亥姆霍茲和波耳茲曼這樣有異常才能的人，為了理解它，也花了幾年的力氣。” 麥克斯韋晚年的生活相當(dāng)不幸。他的學(xué)說(shuō)沒(méi)有人理解，妻子又久病不愈。這雙重的打擊，壓得他精疲力竭。妻子病后，整個(gè)家庭生活的秩序都顛倒了。麥克斯韋為了看護(hù)她，有時(shí)整整三周沒(méi)在床上睡過(guò)覺(jué)。盡管如此，他的講演，他的實(shí)驗(yàn)室工作，卻從沒(méi)有中斷過(guò)。過(guò)分的焦慮和勞累，終于奪去了他的健康。同事們注意到這位勤奮的科學(xué)家很快消瘦下去，面色也越來(lái)越蒼白。只有他那顆科學(xué)家堅(jiān)強(qiáng)的心靈，永遠(yuǎn)沒(méi)有衰退。 1879年，是麥克斯韋生命的最后一年。這一年的春天來(lái)得很晚，也格外的冷。他的健康已經(jīng)明顯惡化，可是仍然堅(jiān)持著工作，不懈地宣傳電磁理論。他的講座這時(shí)僅有兩名聽(tīng)眾，一名是美國(guó)來(lái)的研究生，另一名就是后來(lái)發(fā)明了電子二極管的弗萊明。這是一幕多么令人感嘆的情景?。】諘绲碾A梯教室里，只在頭排坐著兩個(gè)學(xué)生。麥克斯韋夾著講義，照樣步履堅(jiān)定地走上講臺(tái)，他面孔消瘦，目光閃爍，表情莊重。他仿佛不是在向兩名聽(tīng)眾，而是向全世