第三章-从静电现象到电磁波-《文科物理——物理思想与人文精神的融合》电子教案-教学课件.ppt

版权所有版权所有 复制必究复制必究高等教育出版社高等教育出版社第三章第三章 从静电现象到电磁波从静电现象到电磁波 “自从牛顿奠定理论物理学基础以来，物理学的公自从牛顿奠定理论物理学基础以来，物理学的公理基础理基础换句话说，就是我们关于实在结构的概念换句话说，就是我们关于实在结构的概念最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁学方面最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁学方面的工作所引起的。的工作所引起的。”伽利略和牛顿所取得如此伟大成就，是因为他们把伽利略和牛顿所取得如此伟大成就，是因为他们把科学思维和实验研究很好地结合在一起，为力学的发展科学思维和实验研究很好地结合在一起，为力学的发展开辟了一条正确的道路。开辟了一条正确的道路。电学、磁学构成了经典物理学的另一重要分支。随电学、磁学构成了经典物理学的另一重要分支。随着一个个电磁学研究成果的取得，企图把全部物理学归着一个个电磁学研究成果的取得，企图把全部物理学归纳为力学的机械论观点宣告彻底失败。纳为力学的机械论观点宣告彻底失败。本章将涉及下面一些科学家以及他们的重大发现，本章将涉及下面一些科学家以及他们的重大发现，他们是：库仑、奥斯特、安培、法拉第和麦克斯韦等。他们是：库仑、奥斯特、安培、法拉第和麦克斯韦等。库库仑仑奥奥斯斯特特安安培培法法拉拉第第麦麦克克斯斯韦韦 3.1 3.1 静电和静磁现象的研究静电和静磁现象的研究 一、静磁和静电现象的早期研究 中国古代的贡献：最早文字记载中国古代的贡献：最早文字记载“雷雷”、“电电”，发明，发明指南针等。指南针等。最早总结前人对电磁研究的大量经验，最早总结前人对电磁研究的大量经验，讨论电磁体性质的英国医生吉尔伯特，他讨论电磁体性质的英国医生吉尔伯特，他断言：电与磁是两种不同的现象。断言：电与磁是两种不同的现象。相比静磁现象，静电研究困难得多。相比静磁现象，静电研究困难得多。直到第一台摩擦起电机发明后，对静电直到第一台摩擦起电机发明后，对静电研究才迅速开展起来。研究才迅速开展起来。吉尔伯特吉尔伯特 卡文迪许利用两个同心球的实验证明了上述规律，他卡文迪许利用两个同心球的实验证明了上述规律，他得到得到=0.02，可惜两人的工作都未发表。，可惜两人的工作都未发表。卡文迪许扭称卡文迪许扭称旋吊线旋吊线悬吊在半空中可以悬吊在半空中可以自由转动的木杆自由转动的木杆小铅球小铅球大铅球大铅球 库仑于库仑于1875年用电扭实验，通过与万有引力类比，年用电扭实验，通过与万有引力类比，确信并提出了库仑定律确信并提出了库仑定律 C2/（Nm2）计算表明，库仑力远大于万有引力计算表明，库仑力远大于万有引力 三、从库仑定律的建立看，类比方法的重要性 库仑测得库仑测得=0.04，但他断定力与距离成平方反比，是成，但他断定力与距离成平方反比，是成功运用类比方法的结果。功运用类比方法的结果。麦克斯韦对类比法的论述：麦克斯韦对类比法的论述：“为了不用物理理论而得为了不用物理理论而得到物理思想，我们必须熟悉物理类比的存在。所谓物理到物理思想，我们必须熟悉物理类比的存在。所谓物理类比，我指的是一种科学定律与另一种科学定律之间的类比，我指的是一种科学定律与另一种科学定律之间的部分相似性。它使得这两种科学可以相互说明。部分相似性。它使得这两种科学可以相互说明。”3.2 3.2 电流的产生及其磁效应电流的产生及其磁效应 一、从动物电研究到伏打电堆发明 伽伐尼发现伽伐尼发现“动物电动物电”伏打怀疑神经电流的说法，从实验发伏打怀疑神经电流的说法，从实验发现了金属的接触电势差，从而发明了现了金属的接触电势差，从而发明了伏打电堆。从此使电学从静电领域到伏打电堆。从此使电学从静电领域到电流（动电）领域，实现了一大飞跃。电流（动电）领域，实现了一大飞跃。伏打电堆被称为伏打电堆被称为“神奇的仪器神奇的仪器”，还，还曾经表演给拿破仑看。曾经表演给拿破仑看。伏打的重大发明与他自小爱好科学，伏打的重大发明与他自小爱好科学，喜欢动手实验分不开。喜欢动手实验分不开。拿拿破破仑仑伏伏打打电电堆堆 二、奥斯特发现电流磁效应 奥斯特基于奥斯特基于 （1）自然哲学思想）自然哲学思想自然各种自然各种 基本力可以相互转化。基本力可以相互转化。（2）已发现一些电可能会发生磁）已发现一些电可能会发生磁 的迹象。的迹象。坚信电磁间有联系，并发展电是否能产生磁的研究。坚信电磁间有联系，并发展电是否能产生磁的研究。奥奥斯斯特特奥斯特小故事奥斯特小故事 法国著名生物学家巴斯德在讲述奥斯特的发现时，法国著名生物学家巴斯德在讲述奥斯特的发现时，说过一句名言：说过一句名言：“在观察领域的一切机遇只偏爱有那些准备的头脑。在观察领域的一切机遇只偏爱有那些准备的头脑。”讨论：这句名言已在社会上被广泛使用。讨论：这句名言已在社会上被广泛使用。三、安培对电流磁效应的深入研究 安培从磁体与磁体、电流与磁体相互作用，联想并安培从磁体与磁体、电流与磁体相互作用，联想并发现了通电导线之间有相互作用。并进一步发现了通电发现了通电导线之间有相互作用。并进一步发现了通电螺线管与条形磁铁的等效性。螺线管与条形磁铁的等效性。安培安培载流直导线相互作用载流直导线相互作用 载流螺线管与条形磁铁等效载流螺线管与条形磁铁等效 3.3 3.3 电磁感应定律电磁感应定律 一、电磁感应现象的发现法拉第的自然哲学思想：他与奥斯特一样，坚信自然力法拉第的自然哲学思想：他与奥斯特一样，坚信自然力的的“统一性统一性”，并追求这种统一性。他在实验记录中有，并追求这种统一性。他在实验记录中有这样一段话：这样一段话：“长期以来，我就持有一种观点，几乎是长期以来，我就持有一种观点，几乎是一种信仰，我相信其他许多爱好自然知识的人也会共同一种信仰，我相信其他许多爱好自然知识的人也会共同有的，就是物质的力表现出来时具有某种形态，都有一有的，就是物质的力表现出来时具有某种形态，都有一个共同的根源，或者换句话说，它们是相互直接联系的，个共同的根源，或者换句话说，它们是相互直接联系的，也是相互依赖的，所以它们似乎是可以互相转化的。也是相互依赖的，所以它们似乎是可以互相转化的。加上奥斯特已发现了电能产生磁，所以法拉第坚信：磁加上奥斯特已发现了电能产生磁，所以法拉第坚信：磁一定能产生电一定能产生电经过近经过近1010年的努力，于年的努力，于18311831年发现了电磁感应现象年发现了电磁感应现象 由上述由上述4 4种方法，可见关键点是：产生感应电流的回路都种方法，可见关键点是：产生感应电流的回路都是处在一个是处在一个变化的磁场变化的磁场中，一旦磁场变化停止，感应电中，一旦磁场变化停止，感应电流就消失。这种现象称为电磁感应。流就消失。这种现象称为电磁感应。磁感应强度是矢量，有大小和方向。在磁感应线上某磁感应强度是矢量，有大小和方向。在磁感应线上某点的切线方向为该点磁感应强度方向。人们有规定磁场点的切线方向为该点磁感应强度方向。人们有规定磁场的方向是将小磁针放在该点时，北极所指方向。的方向是将小磁针放在该点时，北极所指方向。“场场”概念引入的重大意义概念引入的重大意义 力线和场的概念的提出，不仅使电磁感应可给以定量的描力线和场的概念的提出，不仅使电磁感应可给以定量的描述，而且述，而且“场场”的提出，表明电力和磁力是一种近距作的提出，表明电力和磁力是一种近距作用，即这种力是通过用，即这种力是通过“场场”进行传播的，不是进行传播的，不是“超距作超距作用用”。更重要的是：更重要的是：“场场”的引入是物理学中极具想象力的创举，的引入是物理学中极具想象力的创举，对物理学发展具有开创意义。在过去人们认为物理实在对物理学发展具有开创意义。在过去人们认为物理实在是质点，牛顿研究的是质点的力学运动规律。而在电磁是质点，牛顿研究的是质点的力学运动规律。而在电磁学的研究中，物理实在是有连续的学的研究中，物理实在是有连续的“场场”来代表。法拉来代表。法拉第和麦克斯韦研究的是第和麦克斯韦研究的是“场场”的运动变化规律，这是一的运动变化规律，这是一场伟大的变革。场伟大的变革。“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。化的源泉。”爱因斯坦爱因斯坦 可见，电场线不同于磁感应线，电场线不闭合。类似可见，电场线不同于磁感应线，电场线不闭合。类似地，可用电场线在空间的密集程度来描述电场强弱。某点地，可用电场线在空间的密集程度来描述电场强弱。某点处的电场方向是沿电场线的切线方向，且规定为正电荷在处的电场方向是沿电场线的切线方向，且规定为正电荷在该点的受力方向，所以电场线总是由正电荷指向负电荷。该点的受力方向，所以电场线总是由正电荷指向负电荷。几种电荷分布的电场线图几种电荷分布的电场线图 三、带电粒子在电场和磁场中所受的力和场强的定义 1电荷所受的电场力电荷所受的电场力 利用库仑定律，可得点电荷周围的利用库仑定律，可得点电荷周围的P点出的电场强度点出的电场强度 2运动电荷在磁场中受的力运动电荷在磁场中受的力 式中式中B为磁感应强度，由上式可定义磁感应强度为磁感应强度，由上式可定义磁感应强度 在国际单位制中，在国际单位制中，B的单位是特斯拉（的单位是特斯拉（Tesla），用符号），用符号T表示表示 1 T=1 导体中的电荷导体中的电荷 （3）洛伦兹力）洛伦兹力 带电粒子在电磁场中受带电粒子在电磁场中受到的电磁力到的电磁力 称为洛伦兹公式称为洛伦兹公式 洛伦兹力洛伦兹力实际应用：实际应用：J.J.汤姆孙发现电汤姆孙发现电子的实验中，测量带电子的实验中，测量带电粒子的速度以及带电粒粒子的速度以及带电粒子的荷质比，就是利用子的荷质比，就是利用了洛伦兹公式。了洛伦兹公式。汤姆孙实验汤姆孙实验 调节电场和磁场的大小，可使带电粒子不发生偏转，即调节电场和磁场的大小，可使带电粒子不发生偏转，即洛伦兹力为零，因此洛伦兹力为零，因此vB时，有时，有 已知已知 ，可去掉电场，则带电粒子将在磁场作用下偏转，可去掉电场，则带电粒子将在磁场作用下偏转，半径为半径为r，由此可得荷质比为，由此可得荷质比为 四、磁通量 为了定量描述通过导线回路所围面积的磁场的变化，为了定量描述通过导线回路所围面积的磁场的变化，引入磁通量引入磁通量 的单位是韦伯（的单位是韦伯（Wb）1 Wb=1 引入磁通量后，导线回路中感应电流的产生条件归结引入磁通量后，导线回路中感应电流的产生条件归结为：通过导线回路的磁通量必须发生变化。为：通过导线回路的磁通量必须发生变化。电通量电通量 六、法拉第电磁感应定律六、法拉第电磁感应定律 引入感应电动势引入感应电动势 比感应电流更能反映电磁感应现比感应电流更能反映电磁感应现象的本质，电磁感应定律为：象的本质，电磁感应定律为：负号意味着负号意味着 总是与磁通量变化的符号相反，说明总是与磁通量变化的符号相反，说明的方向总是阻止磁通量变化的方向总是阻止磁通量变化。利用洛伦兹公式可导出电磁感应定律，即两者是自利用洛伦兹公式可导出电磁感应定律，即两者是自恰的。同时再通过对图恰的。同时再通过对图3-3-5实验的具体计算，证明了回实验的具体计算，证明了回路中电能是由外力所做的功转化而来的。路中电能是由外力所做的功转化而来的。电磁感应现象应用举例电磁感应现象应用举例（1 1）麦克风）麦克风 （2）发电机原理）发电机原理 法拉第法拉第法拉第小故事法拉第小故事七、做一个“平凡的法拉第”在在1999年，英国广播公司年，英国广播公司（BBC）所评选出的）所评选出的1000年来年来最伟大的最伟大的10位思想家中麦克斯位思想家中麦克斯韦与马克思、爱因斯坦、牛顿韦与马克思、爱因斯坦、牛顿等人一起榜上有名，他排名第等人一起榜上有名，他排名第九。后由英国杂志九。后由英国杂志物理世界物理世界在在100位著名物理学家中选出位著名物理学家中选出的的10位最伟大者中，麦克斯韦位最伟大者中，麦克斯韦紧跟爱因斯坦和牛顿排名第三。紧跟爱因斯坦和牛顿排名第三。麦克斯韦麦克斯韦 法拉第无疑是一位伟大的实验家，有丰富的想象力，法拉第无疑是一位伟大的实验家，有丰富的想象力，但他一系列观点还缺乏严格的数学形式，在理论上不够但他一系列观点还缺乏严格的数学形式，在理论上不够严密。加上当时在学术界中，严密。加上当时在学术界中，“超距作用超距作用”的传统观念的传统观念还很深，所以当时学术界对法拉第学说表示出冷漠、甚还很深，所以当时学术界对法拉第学说表示出冷漠、甚至非议。至非议。可是年轻的麦克斯韦却有与众不同的眼光，他体会可是年轻的麦克斯韦却有与众不同的眼光，他体会到了到了“场场”的引入的革命性意义。他被法拉第的成果所的引入的革命性意义。他被法拉第的成果所吸引。在吸引。在1856年以后，他致力于用数学语言翻译和表述年以后，他致力于用数学语言翻译和表述电磁场的运动规律。电磁场的运动规律。“法拉第和麦克斯韦在电磁场方面的工作引起一场最伟法拉第和麦克斯韦在电磁场方面的工作引起一场最伟大的革命大的革命”爱因斯坦爱因斯坦 二、麦克斯韦方程组的建立二、麦克斯韦方程组的建立 麦克斯韦通过对前人的发现和成果加以总结和升华以麦克斯韦通过对前人的发现和成果加以总结和升华以及结合位移电流概念的引入，提出了变化电场可在周围及结合位移电流概念的引入，提出了变化电场可在周围激发磁场的假设，建立了反映电磁场运动规律的麦克斯激发磁场的假设，建立了反映电磁场运动规律的麦克斯韦方程组。韦方程组。麦克斯韦方程组：麦克斯韦方程组：麦克斯韦的电磁理论具有以下几个特点：麦克斯韦的电磁理论具有以下几个特点：（1）物理概念创新）物理概念创新（2）逻辑体系严密）逻辑体系严密（3）数学形式简单优美）数学形式简单优美（4）演绎方法出色）演绎方法出色（5）电场与磁场以及时间空间的明显对称性）电场与磁场以及时间空间的明显对称性 三、预言电磁波，实现第三次大综合三、预言电磁波，实现第三次大综合由麦克斯韦方程组出发，根据交变的电场（或磁场）可由麦克斯韦方程组出发，根据交变的电场（或磁场）可在周围产生交变磁场（或电场），预言了电磁波。在周围产生交变磁场（或电场），预言了电磁波。他认为这种交变电磁场可不断由振源向远处传播开来，他认为这种交变电磁场可不断由振源向远处传播开来，电磁振荡在空间的传播就形成了电磁波。电磁振荡在空间的传播就形成了电磁波。麦克斯韦还推导出了电磁波在真空中的传播速度为麦克斯韦还推导出了电磁波在真空中的传播速度为 并由此推断光就是电磁波。并由此推断光就是电磁波。电电磁磁波波谱谱 电磁波谱大致可划分为：电磁波谱大致可划分为：无线电波无线电波 一般由天线上的电磁振荡发射出去，它是电磁波谱中一般由天线上的电磁振荡发射出去，它是电磁波谱中波长最长的一个波段。由于电磁波的辐射强度随频率的减波长最长的一个波段。由于电磁波的辐射强度随频率的减小而急剧下降，因此波长为几百公里的低频电磁波通常不小而急剧下降，因此波长为几百公里的低频电磁波通常不为人们注意。实际使用中的无线电波的波长范围为为人们注意。实际使用中的无线电波的波长范围为30km1mm。不同波长范围的电磁波特点不同，因此其用途也不。不同波长范围的电磁波特点不同，因此其用途也不同，从传播特点而言，长波、中波由于波长很长，它们的同，从传播特点而言，长波、中波由于波长很长，它们的衍射能力很强，适合传送电台的广播信号。短波衍射能力衍射能力很强，适合传送电台的广播信号。短波衍射能力小，靠电离层向地面反射来传播，能传得很远。微波由于小，靠电离层向地面反射来传播，能传得很远。微波由于波长很短，在空间按直线传播，容易被障碍物所反射，远波长很短，在空间按直线传播，容易被障碍物所反射，远距离传播要用中继站。适合于电视和无线电定位（雷达）距离传播要用中继站。适合于电视和无线电定位（雷达）和无线电导航技术。和无线电导航技术。各种无线电波的波长范围和用途各种无线电波的波长范围和用途名称名称长长波波中波中波中短波中短波短波短波米波米波微波微波分米波分米波厘米波厘米波毫米波毫米波波波长长300030000m2003000m50200m1050m110m10100cm110cm0.11cm频频率率10100kHz1001500kHz1.56MHz630MHz30300MHz3003000MHz300030000MHz30000300000MHz主要主要用途用途越洋越洋长长距距离通离通讯讯和和导导航航无无线电线电广广播播电报电报通通讯讯无无线电线电广播和广播和电报电报通通讯讯调频调频无无线电线电广广播、播、电电视视广播广播和无和无线线电导电导航航电视电视、雷达、无、雷达、无线电导线电导航等航等 红外线红外线 波长范围大约在波长范围大约在0.6 mm760 nm之间的电磁波称为之间的电磁波称为红外线，它的波长比红光更长。红外线主要来源于炽热红外线，它的波长比红光更长。红外线主要来源于炽热物体的热辐射，给人以热的感觉。它能透过浓雾或较厚物体的热辐射，给人以热的感觉。它能透过浓雾或较厚大气层而不易被吸收。红外线虽然看不见，但可以通过大气层而不易被吸收。红外线虽然看不见，但可以通过特制的透镜成像。根据这些性质可制成红外夜视仪，在特制的透镜成像。根据这些性质可制成红外夜视仪，在夜间观察物体。夜间观察物体。20世纪下半叶以来，由于微波无线电技世纪下半叶以来，由于微波无线电技术和红外技术的发展，两者之间不断拓展，目前微波和术和红外技术的发展，两者之间不断拓展，目前微波和红外线的分界已不存在，有一定的重叠范围。红外线的分界已不存在，有一定的重叠范围。可见光可见光 可见光在整个电磁波谱中所占的波段最窄，其波长范可见光在整个电磁波谱中所占的波段最窄，其波长范围在围在760nm400nm之间。这些电磁波能使人眼产生光的之间。这些电磁波能使人眼产生光的感觉，所以称为光波。可见光的不同频率决定了人眼感觉感觉，所以称为光波。可见光的不同频率决定了人眼感觉到的不同颜色，白光则是由各种颜色的可见光到的不同颜色，白光则是由各种颜色的可见光红、橙、红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，按一定光强比例混合而成，称为复黄、绿、青、蓝、紫，按一定光强比例混合而成，称为复色光。色光。紫外线紫外线 波长范围在波长范围在400nm5nm之间的电磁波称为紫外线之间的电磁波称为紫外线（ultraviolet），它比可见光的紫光波长更短，人眼也看），它比可见光的紫光波长更短，人眼也看不见。当炽热物体（例如太阳）的温度很高时，就会辐不见。当炽热物体（例如太阳）的温度很高时，就会辐射紫外线。由于紫外线的能量与一般化学反应所涉及的射紫外线。由于紫外线的能量与一般化学反应所涉及的能量大小相当，因此它有明显的化学效应和荧光效应，能量大小相当，因此它有明显的化学效应和荧光效应，也有较强的杀菌本领。无论是红外线、可见光或紫外线，也有较强的杀菌本领。无论是红外线、可见光或紫外线，它们都是由原子的外层电子受激发后产生的。它们都是由原子的外层电子受激发后产生的。X射线射线 伦琴在伦琴在1859年发现了年发现了X射线。它的波长比紫外线更短，射线。它的波长比紫外线更短，它是由原子中的内层电子受激发后产生的，其波长范围在它是由原子中的内层电子受激发后产生的，其波长范围在0.04 5 nm之间。之间。X射线具有很强的穿透能力，在医疗上射线具有很强的穿透能力，在医疗上用于透视和病理检查；在工业上用于检查金属材料内部的用于透视和病理检查；在工业上用于检查金属材料内部的缺陷和分析晶体结构等。随着缺陷和分析晶体结构等。随着X射线技术的发展，它的波射线技术的发展，它的波长范围也朝着两个方向发展，在长波方向与紫外线有所重长范围也朝着两个方向发展，在长波方向与紫外线有所重叠，短波方向则进入了叠，短波方向则进入了 射线的领域。射线的领域。射线射线 这是一种比这是一种比X射线波长更短的电磁波，它来自于宇射线波长更短的电磁波，它来自于宇宙射线或由某些放射性元素在衰变过程中辐射射出来，宙射线或由某些放射性元素在衰变过程中辐射射出来，其波长范围在其波长范围在 以下，以至更短。它的穿透力比以下，以至更短。它的穿透力比X射线更强，对生物的破坏力很大。除了用于金属探伤外，射线更强，对生物的破坏力很大。除了用于金属探伤外，还可用于了解原子核的结构。还可用于了解原子核的结构。深刻、完美、新颖的麦克斯韦方程组于深刻、完美、新颖的麦克斯韦方程组于1964年提出，但开年提出，但开始并不被人们接受。直到始并不被人们接受。直到1888年，赫兹用实验证明了电磁年，赫兹用实验证明了电磁波的存在，并证明了电磁波不仅传播速度和光速一样，而波的存在，并证明了电磁波不仅传播速度和光速一样，而且有类似光的特性（反射、折射、衍射、偏振等）。从此且有类似光的特性（反射、折射、衍射、偏振等）。从此麦克斯韦方程组才被世人公认。麦克斯韦方程组才被世人公认。麦克斯韦不仅将电学与磁学完全统一起来，而且又将他们麦克斯韦不仅将电学与磁学完全统一起来，而且又将他们与光学统一起来，实现了物理学史上继牛顿力学建立和能与光学统一起来，实现了物理学史上继牛顿力学建立和能量守恒提出以来的第三次大综合。量守恒提出以来的第三次大综合。麦克斯韦的贡献不仅在于科学理论本身，而且为后人提供麦克斯韦的贡献不仅在于科学理论本身，而且为后人提供了丰富的科学思想和研究方法。值得指出的是，他是英国了丰富的科学思想和研究方法。值得指出的是，他是英国科学史上创建和领导了在现代科学革命起先锋作用的卡文科学史上创建和领导了在现代科学革命起先锋作用的卡文迪许实验室，并为该实验室立下了方针、政策和宗旨，指迪许实验室，并为该实验室立下了方针、政策和宗旨，指导实验室培养了无数科学人才，取得了大量杰出成果。导实验室培养了无数科学人才，取得了大量杰出成果。卡文迪许实验室卡文迪许实验室