文科物理第二章第1-2節(jié)

第二章

電磁學與電磁波§2.1電磁學發(fā)展簡史§2.2

靜電學與靜磁學§2.3

電磁感應定律§2.4

電磁波應用

電磁學是研究電、磁和電磁相互作用及其規(guī)律和應用的物理學分支。由于歷史上的原因，磁曾被認為是與電獨立無關(guān)的現(xiàn)象。第二章電磁學與電磁波§2.1電磁學發(fā)展簡史

中國古代的貢獻：最早文字記載“雷”、“電”，發(fā)明指南針等。戰(zhàn)國時司南和地盤復原模型

最早總結(jié)前人對電磁研究的大量經(jīng)驗，討論電磁體性質(zhì)的英國醫(yī)生吉爾伯特，他斷言：電與磁是兩種不同的現(xiàn)象。吉爾伯特北宋科學家沈括指南針四種試驗復原

北宋初年，曾公亮主編的《武經(jīng)總要》（約成書1044年）中介紹了一種“指南魚”(復原模型)元代磁州窯繪浮針瓷碗元代指南龜復原(剖面)

明代航海水羅盤復原

明嘉靖年間(1522～1566)航海木帆船沿用“旱羅盤”

富蘭克林著名風箏實驗

美國的富蘭克林的最著名的實驗是風箏實驗。早在1749年他就注意到雷閃與放電有許多相同之處。1752年他通過在雷雨天氣將風箏放入云層，來進行雷擊實驗，證明了雷閃就是放電現(xiàn)象。1785年，庫侖設(shè)計了精巧的扭秤實驗，直接測定了兩個靜止點電荷的相互作用力與它們之間的距離二次方成反比，與它們的電量乘積成正比。庫侖的實驗得到了世界的公認，庫侖的扭秤實驗

庫侖（CharlesAugustindeCoulomb,1736～1806）法國物理學、軍事工程師。1736年6月14日生于昂古萊姆。1761年畢業(yè)于軍事工程學校，并作為軍事工程師服役多年。后因健康原因，被迫回家，因此有閑暇從事科學研究。由于他寫的一篇題為《簡單機械論》的報告而獲得法國科學院的獎勵，并由此于1781年當選為法國科學院院士。法國大革命時期，他辭去公職，在布盧瓦附近鄉(xiāng)村過隱居生活，拿破侖執(zhí)政后，他返回巴黎，繼續(xù)進行研究工作。1806年8月23日在巴黎逝世。

庫侖的研究興趣十分廣泛，在結(jié)構(gòu)力學、梁的斷裂、材料力學、扭力、摩擦理論等方面都取得過成就。1773年法國科學院懸賞征求改進船用指南針的方案。庫侖在研究靜磁力中，把磁針的支托改為用頭發(fā)絲或蠶絲懸掛，以消除摩擦引起的誤差，從而獲得1777年法國科學院的頭等獎。他進而研究了金屬絲的扭力，于1784年提出了金屬絲的扭力定律。這二個成果具有極為重要的意義，它給出了一種新的測量極小力的方法。同年他設(shè)計出一種新型測力儀器──扭秤。利用扭秤，他在1785年根據(jù)實驗得出了電學中的基本定律──庫侖定律。1788年，他把同樣的結(jié)果推廣到兩個磁極之間的相互作用，這項成果意義重大，它標志著電學和磁學研究從定性進入了定量研究。

早在1781年他還提出過關(guān)于摩擦及滑動定律。他在多種實驗基礎(chǔ)上研究了許多實際靜摩擦現(xiàn)象及其相關(guān)因素，并提出了滑動摩擦力。

庫侖著有《庫侖論文集》（1884年）為紀念他對物理學的重要貢獻，電量單位便以庫侖命名。

1799年伏打制造了第一個能產(chǎn)生持續(xù)電流的化學電池。物理學家伏打伏打（AlessandroVolta,1745～1827）意大利物理學家。1745年2月18日生于意大利科莫。學生時代就會對自然科學有濃厚興趣。1774～1779年任科莫大學預科物理學教授。1779～1815年任帕多瓦大學哲學系主任。1819年退休后回到故鄉(xiāng)科莫。1827年3月5日在該地逝世。

伏打自1765年開始從事靜電實驗研究，1769年發(fā)表靜電學著作《論電的吸引》。1775年發(fā)明樹脂起電盤，1781年發(fā)明靈敏的麥秸驗電器。1782年建立了導體電容C、電荷Q及其電勢V之間的關(guān)系式。伏打主要貢獻是發(fā)明伏打電堆(伏打電池

)。當他得悉伽伐尼“動物電”的實驗消息后，于1791年著手研究這一現(xiàn)象。經(jīng)過大量實驗，他否定了“動物電”學說，提出了電的“接觸”學說，指出伽伐尼電產(chǎn)生于兩種不同金屬的接觸。在這項研究的基礎(chǔ)上，他提出了著名的“伏打序列”。他稱金屬為第一類導體，濕物體為第二類導體，如果回路中同時存在兩類導體，就能夠產(chǎn)生電流。1800年初，他發(fā)現(xiàn)了能夠十分明顯地增強該效應的方法，從而發(fā)明了“伏打電堆”。1800年3月20日他宣布了這項發(fā)明，引起極大轟動。這是第一個可以產(chǎn)生穩(wěn)定、持續(xù)電流的裝置(伏打電池)，為電學研究開創(chuàng)了新局面。1801年拿破侖一世召他到巴黎表演電堆實驗，授予他金質(zhì)獎章和伯爵稱號；1803年當選為法國科學院外國院士。

他的其他研究成果還有：1776年發(fā)現(xiàn)甲烷，測定了空氣的膨脹系數(shù)。

為了紀念他在電學上的貢獻，根據(jù)他的姓氏把電動勢、電勢差、電壓的單位命名為伏特（volt）。HansChristianOrsted

Born:14August

1777Died:9March1851

Dane(

丹麥人)WhatOrstedsaw...

1820年發(fā)現(xiàn)電流的磁效應

一次演講中，偶然發(fā)現(xiàn)導線通電時，在它的下方的小磁針有一微小晃動。他抓住了這個現(xiàn)象，經(jīng)過3個月的反復實驗，發(fā)現(xiàn)了電流磁效應。揭開了研究電與磁內(nèi)在聯(lián)系的序幕。

奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應基于（1）自然哲學思想——自然

各種基本力可以相互轉(zhuǎn)化。（2）已發(fā)現(xiàn)一些電可能會發(fā)生磁

的跡象。堅信電磁間有聯(lián)系，并發(fā)展電是否能產(chǎn)生磁的研究。

奧斯特

法國著名生物學家巴斯德在講述奧斯特的發(fā)現(xiàn)時，說過一句名言：

“在觀察領(lǐng)域的一切機遇只偏愛有那些準備的頭腦?！?/p>

討論：這句名言已在社會上被廣泛使用。安培演示電流相互作用的裝置（復制品）

安培對電流磁效應的進行了深入研究，安培從磁體與磁體、電流與磁體相互作用，聯(lián)想并發(fā)現(xiàn)了通電導線之間有相互作用。并進一步發(fā)現(xiàn)了通電螺線管與條形磁鐵的等效性。安培載流直導線相互作用

載流螺線管與條形磁鐵等效

安培（Andre－Marie

Ampere，1775～1836）法國物理學家。1775年1月22日生于里昂一個富商家庭。從小受到良好的家庭教育。他父親按照盧梭的教育思想，鼓勵他走自學成才之路。12歲時就自學了微分運算和各種數(shù)學書籍，顯示出較高的數(shù)學天賦。為了能到里昂圖書館去直看接閱讀歐勒、伯努利等人的拉丁文原著，他還花了幾星期時間掌握了拉丁文。14歲時就鉆研了當時狄德羅和達蘭貝爾編的《百科全書》。沒有上過任何學校，依靠自學，他掌握了各方面的知識。1793年（18歲）因其父在法國大革命時期被殺，為了糊口他做了家庭教師。在讀了一本盧梭關(guān)于植物學的書以后，又重新燃起了他對科學的熱情。1802年，在布爾讓－布雷斯中央學校任物理學及化學教授，1808年被任命為新建的大學聯(lián)合組織的總監(jiān)事，此后一直擔任此職。1814年被選為帝國學院數(shù)學部成員。1819年主持巴黎大學哲學講座。1824年任法蘭西學院實驗物理學教授，1836年6月10日在馬賽逝世。他的興趣十分廣泛，早年是在數(shù)學方面，曾研究過概率論及偏微分方程，他的一篇關(guān)于博奕機遇的數(shù)學論文曾引起達朗貝爾的矚目。后來又作了些化學研究，他只比阿伏加德羅晚三年導出阿伏加德羅定律。由于他高超的數(shù)學造詣，他成為將數(shù)學分析應用于分子物理學方面的先驅(qū)。他的研究領(lǐng)域還涉及植物學、光學、心理學、倫理學、哲學、科學分類學等方面。他寫出了《人類知識自然分類的分析說明》（1834～1843）這一涉及各科知識的綜合性著作。

他的主要科學工作是在電磁學上。1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應的消息由阿拉果帶回巴黎，他作出迅速反應，在短短的一個多月時間內(nèi)，提出了3篇論文，報告他的實驗研究結(jié)果：通電螺線管與磁體相似；兩個平行長直載流導線之間存在相互作用。進而他用實驗證明，在地球磁場中，通電螺線管猶如小磁針樣取向。一系列實驗結(jié)果，提供給他一個重大線索：磁鐵的磁性，是由閉合電流產(chǎn)生的。起先，他認為磁體中存在著一個大的環(huán)形電流，后來經(jīng)好友菲涅耳提醒（宏觀圓形電流會引起磁體中發(fā)熱），提出分子電流假說。

他試圖參照牛頓力學的方法，處理電磁學問題。他認為在電磁學中與質(zhì)點相對應的是電流元，所以根本問題是找出電流元之間的相互作用力。為此，自1820年10月起，他潛心研究電流間的相互作用，這期間顯示了他的高超實驗技巧。依據(jù)四個典型實驗，他終于得出了兩個電流元間的作用力公式。他把自己的理論稱作“電動力學”。安培在電磁學方面的主要著作是《電動力學現(xiàn)象的數(shù)學理論》，它是電磁學的重要經(jīng)典著作之一。

以他的姓氏安培命名的電流強度的單位，為國際單位制的基本單位之一。

此外，他還提出，在螺線管中加軟鐵芯，可以增強磁性。1820年他首先提出利用電磁現(xiàn)象傳遞電報訊號。歐姆發(fā)現(xiàn)電路定律

基爾霍夫分支電路定律

喬治·西蒙·歐姆(1787—1845)1787年3月16日生于德國埃爾蘭根城，父親是鎖匠。父親自學了數(shù)學和物理方面的知識，并教給少年時期的歐姆，喚起了歐姆對科學的興趣。16歲時他進入埃爾蘭根大學研究數(shù)學、物理與哲學，由于經(jīng)濟困難，中途綴學，到1813年才完成博士學業(yè)。歐姆是一個很有天才和科學抱負的人，他長期擔任中學教師，由于缺少資料和儀器，給他的研究工作帶來不少困難，但他在孤獨與困難的環(huán)境中始終堅持不懈地進行科學研究，自己動手制作儀器。

歐姆對導線中的電流進行了研究。他從傅立葉發(fā)現(xiàn)的熱傳導規(guī)律受到啟發(fā)，導熱桿中兩點間的熱流量(在導熱物體中單位時間內(nèi)通過垂直于傳熱方向某一截面的熱量)正比于這兩點間的溫度差。因而歐姆認為，電流現(xiàn)象與此相似，猜想導線中兩點之間的電流也許正比于它們之間的某種驅(qū)動力，即現(xiàn)在所稱的電動勢。歐姆花了很大的精力在這方面進行研究。開始他用伏打電堆作電源，但是因為電流不穩(wěn)定，效果不好。后來他改用溫差電池作電源，從而保證了電流的穩(wěn)定性。

但是如何測量電流的大小，這在當時還是一個沒有解決的難題。開始，歐姆利用電流的熱效應，用熱脹冷縮的方法來測量電流，但這種方法難以得到精確的結(jié)果。后來他把奧斯特關(guān)于電流磁效應的發(fā)現(xiàn)和庫侖扭秤結(jié)合起來，巧妙地設(shè)計了一個電流扭秤，用一根扭絲懸掛一磁針，讓通電導線和磁針都沿子午線方向平行放置；再用鉍和銅溫差電池，一端浸在沸水中，另一端浸在碎冰中，并用兩個水銀槽作電極，與銅線相連。當導線中通過電流時，磁針的偏轉(zhuǎn)角與導線中的電流成正比。實驗中他用粗細相同、長度不同的八根銅導線進行了測量，得出了如下的等式：X＝a／(b＋x)式中X為磁效應強度，即電流的大?。籥是與激發(fā)力(即溫度差)有關(guān)的常數(shù)，即電動勢；x表示導線的長度，b是與電路其余部分的電阻有關(guān)的常數(shù)，b＋x實際上表示電路的總電阻。

這個結(jié)果于1826年發(fā)表。1827年歐姆又在《動電電路的數(shù)學研究》一書中，把他的實驗規(guī)律總結(jié)成如下公式：Ｓ＝γE。式中S

表示電流；E

表示電動力，即導線兩端的電勢差，γ為導線對電流的傳導率，其倒數(shù)即為電阻。歐姆定律發(fā)現(xiàn)初期，許多物理學家不能正確理解和評價這一發(fā)現(xiàn)，并遭到懷疑和尖銳的批評。研究成果被忽視，經(jīng)濟極其困難，使歐姆精神抑郁。直到1841年英國皇家學會授予他最高榮譽的科普利金牌，才引起德國科學界的重視。歐姆在自己的許多著作里還證明了：電阻與導體的長度成正比，與導體的橫截面積和傳導性成反比；在穩(wěn)定電流的情況下，電荷不僅在導體的表面上，而且在導體的整個截面上運動。

法拉第從事電磁現(xiàn)象的實驗研究

楞次給出感應電流方向的描述

電磁場的麥克斯韋方程組

赫茲電磁波實驗§2.2

靜電學與靜磁學

電”在西方是從希臘文ηλεκτρον(琥珀)一詞轉(zhuǎn)意得來。大概是有一個希臘牧羊人想用羊皮把撿到的琥珀擦亮,不經(jīng)意中發(fā)現(xiàn)琥珀具有一種吸引碎草屑的神秘性質(zhì)。在中國則是從雷閃現(xiàn)象中引出來的。2.2.1靜電學靜電學是研究靜止電荷產(chǎn)生電場及電場對電荷產(chǎn)生作用力的規(guī)律。電荷種類：正電荷和負電荷。電荷守恒定律：電荷可以從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，任何物理過程中電荷的代數(shù)和保持不變。庫侖定律：同種電荷相互排斥，異種電荷

相互吸引

庫侖定律

類比萬有引力，科學家猜測電荷間作用力與距離平方成反比。

羅比遜實驗，發(fā)現(xiàn)

羅比遜實驗裝置

蘇格蘭的羅比遜認為:應該是反比關(guān)系,現(xiàn)在指數(shù)比2大是由于實驗誤差造成的。

卡文迪許利用兩個同心球的實驗證明了上述規(guī)律，他得到δ=0.02，可惜兩人的工作都未發(fā)表。

庫侖于1875年用扭秤實驗，通過與萬有引力類比，證明并提出了庫侖定律

C2/（N·m2）計算表明，庫侖力遠大于萬有引力

從庫侖定律的建立看類比方法的重要性

庫侖測得δ=0.04，但他斷定力與距離成平方反比，是成功運用類比方法的結(jié)果。

麥克斯韋對類比法的論述：“為了不用物理理論而得到物理思想，我們必須熟悉物理類比的存在。所謂物理類比，我指的是：一種科學定律與另一種科學定律之間的部分相似性。它使得這兩種科學可以相互說明?！?/p>

安培他試圖參照牛頓力學的方法，處理電磁學問題。他認為在電磁學中與質(zhì)點相對應的是電流元，所以根本問題是找出電流元之間的相互作用力。歐姆對導線中的電流進行了研究。他從傅立葉發(fā)現(xiàn)的熱傳導規(guī)律受到啟發(fā)，導熱桿中兩點間的熱流量正比于這兩點間的溫度差。因而歐姆認為，電流現(xiàn)象與此相似，猜想導線中兩點之間的電流也許正比于它們之間的某種驅(qū)動力，即現(xiàn)在所稱的電動勢。

湯川秀樹也是類比法的成功運用者，他通過將核力和電磁力類比，成功地提出了核力的介子理論。他說：“類比是一種創(chuàng)造性思維的形式，……假定存在一個人所不能理解的某物，他偶爾注意到這一物和他所熟悉的另一物的相似性。他通過將兩者比較就可以理解他在此刻之前尚不能理解的某物。如果他的理解是恰當?shù)模疫€沒有人達到這樣的理解，那么可以說，他的思維確實是創(chuàng)造性的?！睖ㄐ銟?日本物理學家)

1907年1月23日生于東京。1913年入小學，成績優(yōu)良，喜歡數(shù)學、科學哲學，受中國儒、老、莊典籍不少影響。1929年畢業(yè)于京都大學物理系。1932年任京都大學講師。1933～1939年在大阪大學任教，研究原子核和量子場論。1938年獲大阪帝國大學博士學位。1939年回京都大學任物理學教授，直到1970年。其間1943～1945年兼任東京大學教授。他從1946年起主編英文雜志《理論物理學進展》，向國外介紹日本理論物理學的研究成果。1948年受聘為美國普林斯頓高級研究院客座教授，1949～1951年任哥倫比亞大學教授。1953～1970年任京都大學基礎(chǔ)物理學研究所第一任所長。1957年參加世界和平運動大會，呼吁和平利用原子能。1975年以后長期患病，1981年9月8日在京都逝世。

生活在書香之家，湯川秀樹從小就喜愛圖書，養(yǎng)成了愛讀、多想、勤寫的好習慣。他的父親是個開明的人，不象其他日本家庭那樣硬要孩子遵命選擇職業(yè)，而是諄諄誘導湯川秀樹自己去抉擇未來。勤奮向上的湯川秀樹在他邁進大學的門檻時，決定專心致志地攻讀物理學，還特地選定了當時新興的量子物理學當作自己進擊的目標。那個時候，日本的科學還是很落后的，量子物理學更是一片空白。湯川秀樹的決定是十分大膽的，也是帶有風險的，但是他毫不畏懼，充滿信心地開始了對微觀世界的探索。他千方百計地搜集和購買各種關(guān)于量子物理的書刊，廣泛閱讀歐洲、美國的科學家們最新發(fā)表的論文，虛心拜一位有名的物理學教授為師。這樣，湯川秀樹在大學里打下了堅實的知識基礎(chǔ)。

湯川秀樹是一位沒有到過歐美留學，而是在日本國土生土長起來的理論物理學家。湯川秀樹自謙地說：“我不是非凡的人，而是在深山叢林中尋找道路的人?！钡?，他的成功告訴人們：在落后的條件下，勤奮探求，勇往直前，同樣可以到達光輝的頂點。他的成功，他的榮譽，成為激勵日本人民在戰(zhàn)后廢墟上進行建設(shè)的精神力量。

在1935年湯川秀樹提出介子學說，以“基本粒子的相互作用”為題，發(fā)表了介子場論文。預言作為核力及β衰變的媒介存在有新粒子即介子，還提出了核力場的方程和核力的勢，即湯川勢的表達式。按照這一理論，質(zhì)子和中子通過交換介子而互相轉(zhuǎn)化，核力是一種交換介子的相互作用。1937年C.D.安德森等在宇宙線中發(fā)現(xiàn)新的帶電粒子（后被認定為μ子）之后，經(jīng)C.F.鮑威爾等人的研究，于1947年在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了另一種粒子，認定是湯川秀樹所預言的介子，被命名為π介子。諾貝爾獎獲得者

1949年諾貝爾物理學獎授予湯川秀樹，以表彰他在核力的理論基礎(chǔ)上預言了介子的存在。他是第一個獲得諾貝爾獎的日本人。

必須指出：有時簡單的類比也會導致錯誤的結(jié)果。如惠更斯類比聲波，認為光波也是縱波就錯了?？梢婎惐冉Y(jié)果是否正確還得由實驗檢驗。

靜電場中的導體一、靜電感應與靜電平衡

靜電感應——

在靜電場力作用下，導體中電荷重新分布的現(xiàn)象。導體的靜電感應過程無外電場時導體的靜電感應過程加上外電場后E外導體的靜電感應過程加上外電場后E外++導體的靜電感應過程加上外電場后E外+++導體的靜電感應過程加上外電場后E外+++++++導體的靜電感應過程加上外電場后+E外+++++++++導體達到靜電平衡+E+++++++++E外E感+==內(nèi)0E外E感

靜電平衡

——

導體中電荷的宏觀定向運動終止，電荷分布不隨時間改變。靜電平衡條件：用場強來描寫：

1.

導體內(nèi)部電場強度處處為零；

2.

表面電場強度垂直于導體表面。用電勢來描寫：

1.

導體為一等電勢體；

2.

導體表面是一個等勢面。金屬球放入前電場為一均勻場E金屬球放入后電力線發(fā)生彎曲電場為一非均勻場+++++++E二、靜電平衡時導體上的電荷分布

1、實心導體

在靜電平衡下，電荷只分布在導體表面。

結(jié)論：電荷分布在導體表面，導體內(nèi)部場強處處為零。++++++++++++++++++++++++++++++++2.空腔導體

（1）腔內(nèi)無帶電體：當導體殼內(nèi)沒有其他帶電體時，在靜電平衡下，導體殼的內(nèi)表面上處處沒有電荷，電荷只能分布在外表面。

空腔內(nèi)沒有電場，或者說，空腔內(nèi)的電勢處處相等。q1q2（2）腔內(nèi)有帶電體：

腔體內(nèi)表面所帶的電量和腔內(nèi)帶電體所帶的電量等量異號，腔體外表面所帶的電量由電荷守恒定律決定。+q1q1+放入