物理學(xué)家麥克斯韋的介紹課件

1、物理學(xué)家麥克斯韋的介紹組長(zhǎng)；馬玲成員：馬玲指導(dǎo)老師：楊曉梅班級(jí)：物理師范（1）班2008年12月25日8/7/20221主要安排一：麥克斯韋的介紹二：麥克斯韋的成就介紹三：麥克斯韋方程組的有關(guān)知識(shí)四：學(xué)習(xí)感受和收獲五：結(jié)尾8/7/20222麥克斯韋（JamesClerkMaxwell，18311879）英國(guó)物理學(xué)家，經(jīng)典電磁理論的奠基人。1831年6月13日出生于愛丁堡。父親受的是法學(xué)教育，但思想活躍，愛好科學(xué)技術(shù)，使他從小就受到科學(xué)的熏陶。10歲那年進(jìn)了愛丁堡中學(xué)，由于講話帶有很重的鄉(xiāng)音和衣著不人時(shí)，在班上經(jīng)常被排擠、受譏笑。但在一次全校舉行的數(shù)學(xué)和詩歌的比賽中，麥克斯韋一人獨(dú)得兩個(gè)科目的一

2、等獎(jiǎng)。他以自己的勤奮和聰穎獲得了同學(xué)們的尊敬。他的學(xué)習(xí)內(nèi)容逐漸地突破了課本和課堂教學(xué)的局限。他的關(guān)于卵形曲線畫法的第一篇科學(xué)論文發(fā)表在愛丁堡皇家學(xué)會(huì)會(huì)刊上，他采用的方法比笛卡兒的方法還簡(jiǎn)便。那時(shí)他僅僅15歲。1847年人愛丁堡大學(xué)聽課，專攻數(shù)學(xué)。但他很重視參加實(shí)驗(yàn)，廣泛涉獵電化學(xué)、光學(xué)、分子物理學(xué)以及機(jī)械工程等等。他說：“把數(shù)學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)研究聯(lián)合使用得到的物理科學(xué)知識(shí)，比之一個(gè)單純的實(shí)驗(yàn)人員或單純的數(shù)學(xué)家所具有的知識(shí)更加堅(jiān)實(shí)、有益而牢固?！?850年考人劍橋大學(xué)，1854年以優(yōu)異成績(jī)畢業(yè)并獲得了學(xué)位，留校工作。1856年起任蘇格蘭阿伯丁的馬里沙耳學(xué)院的自然哲學(xué)講座教授，直到1874年。經(jīng)法拉第

3、舉薦，自1860年起任倫敦皇家學(xué)院的物理學(xué)和天文學(xué)教授。1871年起負(fù)責(zé)籌劃卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，隨后被任命在劍橋大學(xué)創(chuàng)辦卡文迪什實(shí)驗(yàn)室并擔(dān)任第一任負(fù)責(zé)人。1879年11月5日麥克斯韋因患癌癥在劍橋逝世，終年僅48歲。 麥克斯韋的介紹8/7/20223麥克斯韋一生從事過多方面的物理學(xué)研究工作，他最杰出的貢獻(xiàn)是在經(jīng)典電磁理論方面。在劍橋讀書期間，當(dāng)麥克斯韋讀過法拉第的電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究之后，立刻被書中的新穎見解所吸引，他敏銳地領(lǐng)會(huì)到了法拉第的“力線”和“場(chǎng)”的概念的重要性。但是，他注意到全書竟然無一數(shù)學(xué)公式，這說明法拉第的學(xué)說還缺乏嚴(yán)密的理論形式。在其老師威廉湯姆孫的啟發(fā)和幫助下，決心用自己的數(shù)學(xué)才能來彌補(bǔ)

4、法拉第工作的這一缺陷。1855年他發(fā)表了第一篇論文論法拉第的力線。把法拉第的直觀力學(xué)圖象用數(shù)學(xué)形式表達(dá)了出來，文中給出了電流和磁場(chǎng)之間的微分關(guān)系式。不久，收到法拉第的來信，贊揚(yáng)說：“我驚異地發(fā)現(xiàn)，這個(gè)數(shù)學(xué)加得很妙！”1860年，29歲的麥克斯韋去拜訪年近70的法拉第，法拉第勉勵(lì)麥克斯韋：“不要局限于用數(shù)學(xué)來解釋已有的見解，而應(yīng)該突破它?！?861年，麥克斯韋深入分析了變化磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，獨(dú)創(chuàng)性地提出了“分子渦旋”和“位移電流”兩個(gè)著名假設(shè)。這些內(nèi)容發(fā)表在1862年的第二篇論文論物理力線中。這兩個(gè)假設(shè)已不僅僅是法拉第成果的數(shù)學(xué)反映，而是對(duì)法拉第電磁學(xué)作出了實(shí)質(zhì)性的增補(bǔ)。1864年12月

5、8日，麥克斯韋在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的集會(huì)上宣讀了題為電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論的重要論文，對(duì)以前有關(guān)電磁現(xiàn)象和理論進(jìn)行了系統(tǒng)的概括和總結(jié)，提出了聯(lián)系著電荷、電流和電場(chǎng)、磁場(chǎng)的基本微分方程組。該方程組后來經(jīng)H.R.赫茲，O.亥維賽和H.A.洛倫茲等人整理和改寫，就成了作為經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)主要基礎(chǔ)的麥克斯韋方程組。這理論所宣告的一個(gè)直接的推論在科學(xué)史上具有重要意義，即預(yù)言了電磁波的存在。交變的電磁場(chǎng)以光速和橫波的形式在空間傳播，這就是電磁波；光就是一種可見的電磁波。電、磁、光的統(tǒng)一，被認(rèn)為是19世紀(jì)科學(xué)史上最偉大的綜合之一。1888年，麥克斯韋的預(yù)言被H.赫茲所證實(shí)。1865年以后，麥克斯韋利用因病離職休養(yǎng)的時(shí)間，

6、系統(tǒng)地總結(jié)了近百年來電磁學(xué)研究的成果，于1873年出版了他的巨著電磁理論這部科學(xué)名著，內(nèi)容豐富、形式完備，體現(xiàn)出理論和實(shí)驗(yàn)的一致性，被認(rèn)為可以和牛頓的自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理交相輝映。麥克斯韋的電磁理論成為經(jīng)典物理學(xué)的重要支柱之一。麥克斯韋的成就8/7/20224麥克斯韋方程組8/7/20225引入 19世紀(jì)中葉，描述電磁現(xiàn)象的基本實(shí)驗(yàn)規(guī) 律：庫侖定律、畢-薩-拉定律、安培定律、歐姆定律、法拉第電磁感應(yīng)定律等已經(jīng)先后得出， 建立統(tǒng)一電磁理論的課題擺在了物理學(xué)家面前。 以W.韋伯、F.E.諾埃曼為代表的超距作用電磁理論把各種電磁作用歸結(jié)為庫侖力和運(yùn)動(dòng)電 荷之間的作用力(韋伯力)，認(rèn)為是超越空間無需媒質(zhì)

7、傳遞也無需傳遞時(shí)間的直接作用 。這種 理論雖然統(tǒng)一地解釋了靜電現(xiàn)象、電流相互作用和電磁感應(yīng)，但是既未能提出任何有價(jià)值的預(yù) 言，又存在機(jī)制上的根本困難，終于成為歷史的遺跡。 8/7/20226 J.C.麥克斯韋繼承了M.法拉第的近距作用觀點(diǎn)，認(rèn)為電磁作用是以場(chǎng)為媒介傳遞的，需要 傳遞時(shí)間，把客觀存在的場(chǎng)作為研究對(duì)象，從而開辟了物理學(xué)研究的新天地。麥克斯韋審查了 當(dāng)時(shí)已知的全部電磁學(xué)定律、定理的基礎(chǔ)，提取了其中帶有普遍意義的內(nèi)容，拓寬了它們的成 立條件。麥克斯韋提出了有旋電場(chǎng)的概念和位移電流的假設(shè)，揭示了電磁場(chǎng)的內(nèi)在聯(lián)系和相互 依存，完成了建立電磁場(chǎng)理論的關(guān)鍵性突破。麥克斯韋熟練地運(yùn)用了當(dāng)時(shí)正在發(fā)

8、展的矢量分析 ，找到了表述電磁場(chǎng) （空間連續(xù)分布的客體）的適當(dāng)數(shù)學(xué)工具 。1865年麥克斯韋終于建立了 包括電荷守恒定律、介質(zhì)方程以及電磁場(chǎng)方程在內(nèi)的完備方程組。后經(jīng)H.R.赫茲、O.亥維賽、 H.A.洛倫茲等人進(jìn)一步的加工，得出了電磁場(chǎng)方程組麥克斯韋方程組。8/7/20227麥克斯韋方程組 關(guān)于靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒磁場(chǎng)的基本規(guī)律，可總結(jié)歸納成以下四條基本定理：靜電場(chǎng)的高斯定理， 靜電場(chǎng)的環(huán)路定理， 穩(wěn)恒磁場(chǎng)的高斯定理， 磁場(chǎng)的安培環(huán)路定理。 上述這些定理都是孤立地給出了靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒磁場(chǎng)的規(guī)律，對(duì)變化電場(chǎng)和變化磁場(chǎng)并不適用 。 8/7/20228 麥克斯韋在穩(wěn)恒場(chǎng)理論的基礎(chǔ)上，提出了渦旋電場(chǎng)和位移電流

9、的概念： 1麥克斯韋提出的渦旋電場(chǎng)的概念，揭示出變化的磁場(chǎng)可以在空間激發(fā)電場(chǎng)，并通過法 拉第電磁感應(yīng)定律得出了二者的關(guān)系。任何隨時(shí)間而變化的磁場(chǎng)，都是和渦旋電場(chǎng)聯(lián)系在一起的。 2 麥克斯韋提出的位移電流的概念，揭示出變化的電場(chǎng)可以在空間激發(fā)磁場(chǎng)，并通過全 電流概念的引入，得到了一般形式下的安培環(huán)路定理在真空或介質(zhì)中的表示形式。任何隨時(shí)間而變化的電場(chǎng)，都是和磁場(chǎng)聯(lián)系在一起的。 8/7/20229 綜合上述兩點(diǎn)可知，變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)彼此不是孤立的，它們永遠(yuǎn)密切地聯(lián)系在一 起，相互激發(fā)，組成一個(gè)統(tǒng)一的電磁場(chǎng)的整體。這就是麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的基本概念。 在麥克斯韋電磁場(chǎng)理論中，自由電荷可激發(fā)電場(chǎng)

10、 ，變化磁場(chǎng)也可激發(fā)電場(chǎng)。又由于，穩(wěn)恒電流可激發(fā)磁場(chǎng) ，變化電場(chǎng)也可激發(fā)磁場(chǎng) 。因此，在一般情況下，電磁場(chǎng)的基本規(guī)律中，應(yīng)該既包含穩(wěn)恒電、磁場(chǎng)的規(guī)律，也包含變化電磁場(chǎng)的規(guī)律， 8/7/202210 根據(jù)麥克斯韋提出的渦旋電場(chǎng)和位移電流的概念，變化的磁場(chǎng)可以在空間激發(fā)變化的渦旋電場(chǎng) ，而變化的電場(chǎng)也可以在空間激發(fā)變化的渦旋磁場(chǎng)。因此，電磁場(chǎng)可以在沒有自由電荷和傳導(dǎo) 電流的空間單獨(dú)存在。 變化電磁場(chǎng)的規(guī)律是： 1.電場(chǎng)的高斯定理 在沒有自由電荷的空間，由變化磁場(chǎng)激發(fā)的渦旋電場(chǎng)的電場(chǎng)線是一系 列的閉合曲線。通過場(chǎng)中任何封閉曲面的電位移通量等于零。 2電場(chǎng)的環(huán)路定理 已知，渦旋電場(chǎng)是非保守場(chǎng)，滿足的環(huán)

11、路定理是 （見下頁）。8/7/202211 3.磁場(chǎng)的高斯定理 變化的電場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)和傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相同，都是渦旋狀的場(chǎng)，磁 感線是閉合線。因此，磁場(chǎng)的高斯定理仍適用。 4.由磁場(chǎng)的安培環(huán)路定理 知變化的電場(chǎng)和它所激發(fā)的磁場(chǎng)滿足此環(huán)路定理 。 在變化電磁場(chǎng)的上述規(guī)律中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)成為不可分割的一個(gè)整體。 將兩種電、磁場(chǎng)的規(guī)律合并在一起，就得到電磁場(chǎng)的基本規(guī)律，稱之為麥克斯韋方程組，表示 如下 （1） 上述四個(gè)方程式稱為麥克斯韋方程組的積分形式。 8/7/202212 將麥克斯韋方程組的積分形式用高等數(shù)學(xué)中的方法可變換為微分形式。微分形式的方程組如下 ： （2） 上面四個(gè)方程可逐一說明如下：

12、在電磁場(chǎng)中任一點(diǎn)處 （1）電位移的散度 等于該點(diǎn)處自由電荷的體密度 ； （2）電場(chǎng)強(qiáng)度的旋度 等于該點(diǎn)處磁感強(qiáng)度變化率 的負(fù)值； 8/7/202213 （3）磁場(chǎng)強(qiáng)度的旋度 等于該點(diǎn)處傳導(dǎo)電流密度 與位移電流密度 的矢量和； （4）磁感強(qiáng)度的散度 處處等于零。 麥克斯韋方程是宏觀電磁場(chǎng)理論的基本方程，在具體應(yīng)用這些方程時(shí)，還要考慮到介質(zhì)特 性對(duì)電磁場(chǎng)的影響以及歐姆定律的微分形式 。 方程組的微分形式，通常稱為麥克斯韋方程。 在麥克斯韋方程組中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)已經(jīng)成為一個(gè)不可分割的整體。該方程組系統(tǒng)而完整地概括 了電磁場(chǎng)的基本規(guī)律，并預(yù)言了電磁波的存在。 8/7/202214闡釋： （一）經(jīng)典場(chǎng)論是

13、19世紀(jì)后期麥克斯韋在總結(jié)電磁學(xué)三大實(shí)驗(yàn)定律并把它與力學(xué)模型進(jìn)行類比的 基礎(chǔ)上創(chuàng)立起來的。但麥克斯韋的主要功績(jī)恰恰是他能夠跳出經(jīng)典力學(xué)框架的束縛：在物理上 以“場(chǎng)”而不是以“力”作為基本的研究對(duì)象，在數(shù)學(xué)上引入了有別于經(jīng)典數(shù)學(xué)的矢量偏微分 運(yùn)算符，這兩條是發(fā)現(xiàn)電磁波方程的基礎(chǔ)。這就是說，實(shí)際上麥克斯韋的工作已經(jīng)沖破經(jīng)典物 理學(xué)和經(jīng)典數(shù)學(xué)的框架，只是由于當(dāng)時(shí)的歷史條件，人們?nèi)匀恢荒軓呐ｎD的經(jīng)典數(shù)學(xué)和力學(xué)的 框架去理解電磁場(chǎng)理論。 現(xiàn)代數(shù)學(xué)，空間中的數(shù)學(xué)分析是在19世紀(jì)和20世紀(jì)之交才出現(xiàn)的而量子力學(xué)的物質(zhì)波的概念是在更晚的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)的特別是對(duì)于現(xiàn)代數(shù)學(xué)與量子物理學(xué)之間的不可分割的 數(shù)理邏輯聯(lián)系至

14、今也還沒有完全被人們所理解和接受。從麥克斯韋建立電磁場(chǎng)理論到現(xiàn)在，人 們一直以歐氏空間中的經(jīng)典數(shù)學(xué)作為求解麥克斯韋方程組的基本方法。 8/7/202215 （二） 我們從麥克斯韋方程組的產(chǎn)生，形式、內(nèi)容和它的歷史過程中可以看到，第一、物理對(duì)象是在 更深的層次上發(fā)展成為新的公理表達(dá)方式而被人類所撐握，所以科學(xué)的進(jìn)步不會(huì)是在既定的前 提下演進(jìn)的，一種新的具有認(rèn)識(shí)意義的公理體系的建立才是科學(xué)理論進(jìn)步的標(biāo)志。第二、物理 對(duì)象與對(duì)它的表達(dá)方式雖然是不同的東西，但如果不依靠合適的表達(dá)方法就無法認(rèn)識(shí)到這個(gè)對(duì) 象的“存在”。由此，第三、我們正在建立的理論將決定到我們?cè)诤畏N層次的意義上使我們的 對(duì)象成為物理事實(shí)

15、，這正是現(xiàn)代最前沿的物理學(xué)所給我們帶來的困惑。 8/7/202216 （三） 麥克斯韋方程組揭示了電場(chǎng)與磁場(chǎng)相互轉(zhuǎn)化中產(chǎn)生的對(duì)稱性優(yōu)美，這種優(yōu)美以現(xiàn)代數(shù)學(xué)形式得 到充分的表達(dá)。但是，我們一方則應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)形式才能充分展示經(jīng)驗(yàn)方法中看不到 的整體性（電磁對(duì)稱性），但別一方面，我們也不應(yīng)當(dāng)忘記，這種對(duì)稱性的優(yōu)美是以數(shù)學(xué)形式 反映出來的電磁場(chǎng)的統(tǒng)一本質(zhì)，因此我們應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是在數(shù)學(xué)的表達(dá)方式中“發(fā)現(xiàn)”或“看出” 了這種對(duì)稱性，而不是從物理數(shù)學(xué)公式中直接推演出這種本質(zhì)，這是一個(gè)十分重要但又極易混 淆的事實(shí)，而且，這種認(rèn)識(shí)的意義是非常深刻和長(zhǎng)遠(yuǎn)的 。8/7/202217學(xué)習(xí)感受與收獲通過這次主題作業(yè)的制作我學(xué)到了很多東西。在上網(wǎng)查閱資料的過程中我不僅掌握了計(jì)算機(jī)的許多操作技巧更多的瀏覽到了許多關(guān)于麥克斯韋方