当法拉第在演示他的电磁感应现象时,一位贵妇曾问道:“您的电流计指针动一下有什么意义呢?”法拉第回答道:“夫人,当一个婴孩诞生的时候,您会想到他将会完成何等事业吗?”
法拉第如此至爱的这个“婴儿”,的确有着惊人之举。1867年西门子根据这一原理创造了发电机,从此人类有了“电”,它至今仍为我们带来光明和幸福。当我们在尽情享受电灯、电视、电影??这一切现代文明的时候,我们怎能不感谢这位铁匠的儿子呢?
第七节 麦克斯韦电磁场理论的建立
从出生地来说他属于爱丁堡,从功绩上来说他属于全世界。 ——普朗克 一、麦克斯韦(1831-1879)简介
英国物理学家、数学家。11月13日出生时,是法拉第发现电磁感应后2个多月。15岁在“爱丁堡皇家学报”发表论文,1854年从剑桥大学毕业,卡文迪什试验室首任主任。 虽然只活了49 岁,但他却写了100多篇有价值的论文。 麦克斯韦是一位可以与牛顿、爱因斯坦相提并论的科学家。
二、建立电磁场理论的工作
“把数学分析和实验研究联合使用所得到的物理知识,比之一个单纯实验人员或单纯的数学家能具有的知识更坚实,有益和巩固。”
——麦克斯韦
1.1856 年,麦克斯韦发表了《论法拉第力线》一文,受到法拉第的赞赏。法拉第说:“我惊讶地看到,这个主题居然处理得如此之好”,麦克斯韦在文中认为法拉第将磁现象归结为力和场的观点,是一种更合适的科学语言。文中采用了类比法,将流线的数学表达式应用到静电理论中。
2.1860年,70岁的法拉第和30岁的年轻人麦克斯韦见面了,建立电磁理论的共同心愿超越了年龄的鸿沟,法拉第对麦克斯韦说:“你不要停留在用数学来解释我的观点上,而应该突破它。”
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1861年,麦克斯韦写了《论物理力线》,提出:
一个关于力线的机械模型,即电磁以太模型。 创造性地提出位移电流和涡旋电场的两大重要假设。
提出光波就是电磁波的理论:“光本身乃是以波的形式在电磁场中按电
磁规律传播的一种电磁振动。”将电、磁、光理论进行了一次伟大的综合。 3.1865年,发表了《电磁场的动力学理》,用场的观点总结了电磁理论,构建了全新的理论框架。
4.1873年,麦克斯韦出版了《电磁学通论》一书,进一步将电磁学实验规律和定理定律,综合概括在一个方程组中, 以简洁的数学结构,揭示了电场和磁场内在的完美对称。《电磁学通论》是人类第一个有关经典场论的不朽之作。
1874年,麦克斯韦任卡文迪什实验室首任主任,1879年11月3 日,49岁逝世。
临终之际,他仍坚信自己的预言——电磁波理论,一定会插上翅膀飞向全球。 三、麦克斯韦成功的基本要素
1.寻找不同现象之间的联系,对电光磁建立了统一的理论解释。 2.在科学发现中重视科学方法的应用。
麦克斯韦曾写道:“为了采用某种物理知识而获得物理思想,我们应当了解物理相似性的存在。??利用这种类似,可以用其中之一,说明其中之二。” 3.想象力丰富,大胆猜测假设。
科学家也需要幻想,幻想不只是文学家的事。 ——郭沫若 4.知识底蕴丰厚。
5.对理论完美和谐的不懈追求。
麦克斯韦认为:自然界是和谐的,一种反映自然规律的理论,如果框架上不完善,不和谐,也就意味着要进一步改进和探索。 四、意义
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经典电磁理论的确立,成为人类改造自然,提高生产力的有力杠杆。据载,
科技利用程度较高的生产率比之单纯手工业生产率在1770年为4:1,而在电气工业出现后这个比例为108:1。电磁学理论的成功,说明了科技是第一生产力。
第八节 电磁波的发现
尽管麦克斯韦理论具有内在的完美性并和一切经验相符合,但它只能逐渐地被物理学家接受。 ——劳厄 一、赫兹 (1857-1894) :德国物理学家
1878 年是基尔霍夫和亥姆霍兹的学生。 1880年获博士学位。
1885年发现电磁波,89年到波恩大学任教。 1894年因血中毒而去世。 二、电磁波的发现
麦克斯韦《电磁论》发表后,由于理论难懂,无实验验证,并未受到重视。 1886年,赫兹作成电磁波检验器并宣布“电磁感应是以波动形式在空气中传播的。”
赫兹在1888年证明了电磁波的存在。这样由法拉第开创,麦克斯韦建立,赫兹验证的电磁场理论向全世界宣告了它的胜利。
插曲:比赫兹实验早七年,一位叫戴维的人也接收到了电磁波信号,他随即向英国皇家协会会长G·斯托克斯汇报,但斯托克斯认为这只是普通的电磁感应现象,戴维过于迷信权威,对于这一天赐良机未与重视,使发现被埋没了。 三、成果
无线电报(1901)——广播(1906)——电话(1916)——传真(1923)——电视(1929)——微波(1933)——雷达(1935)——卫星通讯——电子计算机因特网等都与电磁波理论相关。
*发明家爱迪生(1827-1931):
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爱迪生发明电灯
1.爱动脑筋
由于爱提一些问题,老师不喜欢他,只上三个月就退学了,由母亲教他。但爱迪生自强不息,方法得当,一生在专利局的发明就有1328项,平均15天就有一项发明问世。
比如,他常想声音能使细针颤动,反过来针的颤动能否变成声音?正是采用正确的逆向思维的方法,在1877年12月6日,爱迪生发明了留声机。 1879 年10月研制出电灯,另外蓄电池,电影等都是爱迪生发明的。
2.1929年10月21日,爱迪生由美国总统亲自搀扶,参加要会,厅内各个角落的电灯大放光明,爱迪生说:“我这一生行将结束,我的人生哲学是工作,我要大胆揭示大自然的奥秘,并以此为人类造福。”
第五章 热学发展史
第一节 早期发展简述
热是人类最早发现的一种自然力,是地球上一切生命的源泉。 ——恩格斯
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温度的定义和热机的研制 1.对温度的研究
1593年,伽利略利用空气热胀冷缩的性质,制成了温度计的雏形。 1702年,阿蒙顿制成空气温度计,但不准确。
1724年,荷兰工人华伦海特在他的论文中,建立了华氏温标,首先使用水银代替酒精。
1742年瑞典的摄尔修斯定义水的沸点为零度,冰的熔点为100度,后施勒默尔将两个固定点倒过来,建立了摄氏温标。 1779年,全世界有温标19种。
1854年,开尔文提出开氏温标,得到世界公认。 2.热机的发展
“蒸汽机是一个真正的国际发明,而这个事实又证实了一个巨大的历史进步。”
1695年,法国人巴本第一个发明蒸汽机,但操作不便,不安全。 1705年,钮科门和科里制造了新蒸汽机,有一定实用价值,但用水冷却气缸,能量损失很大。
1769年,英国技工瓦特改进了钮科门机,加了冷凝器,使机器运作由断续变连续,从而蒸汽机的使用价值大大提高,导致了欧洲的工业革命。 1785年,热机被应用于纺织。
1807年,热机被美国人富尔顿应用于轮船,1825年被用于火车和铁路。
瓦特发明的蒸汽机
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