物理与文化物理与文化物理与文化 (17).pdf

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1、13.3电与磁的统一01电场与磁场库仑定律和安培定律，与牛顿的万有引力定律一样，都是平方反比定律，这自然使人联想到：电力和磁力与引力的作用如何产生？需不需要通过媒介传递？法拉第猜想：电力和磁力是通过振动来传播的，其速度是有限的。他还认为，在每一个带电体或磁化体周围都充满着电力线或磁力线，这些力线连接着相反的电荷或磁极。1851年，法拉第发表论磁力线一文，运用磁力线概念成功地描述了电磁感应定律：“无论导线是垂直地还是倾斜地跨过磁力线，也无论它是沿着这一方向或那一“无论导线是垂直地还是倾斜地跨过磁力线，也无论它是沿着这一方向或那一01电场与磁场方向，该导线都把所跨过的力线所示的力汇总起来使形成电流

2、的力正比于所切方向，该导线都把所跨过的力线所示的力汇总起来使形成电流的力正比于所切割的力线数”。割的力线数”。1831年底，法拉第用铁粉实验展示并提出了“磁力线”概念他认为磁感应线显示了在磁体周围空间是物理空间，其中存在“磁场”01电场与磁场条形磁铁周围铁屑沿磁感应线排列02“场”概念的建立和发展“你在巴黎看见由充满空间稀薄物质的涡旋构成的宇宙，而这些东西在伦敦却荡然无存，“你在巴黎看见由充满空间稀薄物质的涡旋构成的宇宙，而这些东西在伦敦却荡然无存，我们什么也看不见，在你周围只有引起海潮的月亮的引力”我们什么也看不见，在你周围只有引起海潮的月亮的引力”伏尔泰伏尔泰02“场”概念的建立和发展2源

3、场源02“场”概念的建立和发展（1）场具有能量（2）场具有动量03“场”的基本性质（2）场具有动量光压1901年列别捷夫实验验证（3）场具有质量03“场”的基本性质（4）微观条件下，场和实物都具有二象性“场”概念引入的重大意义03“场”的基本性质“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，“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，并且是知识进化的源泉”并且是知识进化的源泉”爱因斯坦爱因斯坦法拉第的观点缺乏严格的数学形式，理论上不够严密“超距作用”当时在学术界中的传统观念很深，因此当时学术界对法拉第学说表示出冷漠、甚至非议

4、年轻的麦克斯韦体会到了“场”的引入的04麦克斯韦电磁场理论革命性意义“法拉第实验所提供的存在力线的美妙“法拉第实验所提供的存在力线的美妙例子，促使我相信力线是某种实际存在例子，促使我相信力线是某种实际存在的东西。”的东西。”04麦克斯韦电磁场理论1855年，麦克斯韦在剑桥哲学学会上宣读了一篇长达七八十页的论文。他充分发挥了法拉第的思想，认为电荷之间或电流之间的作用是通过场来传递的。麦克斯韦将电场与流速场作了类比：把电（磁）场强度比作流速；把电（磁）力线比作流线并采用通量环流散度和旋度等数学量来描述电磁场在空间力线比作流线，并采用通量、环流、散度和旋度等数学量来描述电磁场在空间中的变化情况，建立

5、了静电场、静磁场和感应电场的基本方程。这样，麦克斯韦采用矢量分析方法阐明了法拉第力线的意义，为法拉第关于场的描述提供了数学基础。3另一位物另一位物理学巨匠理学巨匠詹姆斯詹姆斯克拉克克拉克麦克斯韦麦克斯韦（James Clerk Maxwell，18311879）综各家之所长，综各家之所长，挥经纶之巨手，挥经纶之巨手，天才般地天才般地写出了麦克斯韦方程组写出了麦克斯韦方程组包含了自然界的一切电磁现象包含了自然界的一切电磁现象电荷电荷变化的磁场变化的磁场（法拉第的贡献）（法拉第的贡献）电电场场（库仑等的贡献）（库仑等的贡献）描述电场的两描述电场的两个物理量：个物理量：E和和 D DtBE 电流电流

6、变化的电场变化的电场（麦克斯韦假说）（麦克斯韦假说）磁磁场场（安培等的贡献）（安培等的贡献）描述磁场的两描述磁场的两个物理量：个物理量：B和和 H0 BtDH 包含了所有经典电磁规律，揭示了一包含了所有经典电磁规律，揭示了一切电磁现象的本质切电磁现象的本质麦克斯韦方程组04麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦电磁方程组，是所有电磁学定律的简明优美的总结,是整个电磁学和光学的基础有趣的是，麦克斯韦电磁理论当年是运用介质的弹性学说导出的麦克斯韦从介质“分子蜗旋”形变导致的弹性性质得出了电磁方程组他把电力归结为分04麦克斯韦电磁场理论方程组他把“电力”归结为分子蜗旋形变的弹性势能，磁力归结为转动动能麦克斯韦与

7、妻子凯瑟琳在一起麦克斯韦的电磁理论具有以下几个特点：04麦克斯韦电磁场理论“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”“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”爱因斯坦爱因斯坦法拉第和麦克斯韦等人创立的电磁理论，导致了发电机、电动机、电灯和电子技术的出现，人类文明从此进入了电磁时代04麦克斯韦电磁场理论4深刻、完美、新颖的麦克斯韦方程组于1865年提出，但开始并不被人们接受直到1888年，赫兹(H.Hertz,1857 1894)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04

8、麦克斯韦电磁场理论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04麦克斯韦电磁场理论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05电磁波的预言及赫兹的实验验证麦克斯韦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麦克斯韦麦克斯韦预言了电磁波预言了电磁波秒米真空光速/1031800c因此，光就是电磁波因此，光就是电磁波麦克斯韦推导出了电磁波在真空中的传播速度为001（光速）真空cv105电磁波的预言及赫兹的实验验证27221

9、2/104/108.854安培牛顿）米（牛顿库仑“电磁波的这一速度与光速如此接近，看来我们有充分理由断定光本身（以及热辐射和其他“电磁波的这一速度与光速如此接近，看来我们有充分理由断定光本身（以及热辐射和其他形式的辐射）是以波动形式按电磁波的规律传播的一种电磁振动。”形式的辐射）是以波动形式按电磁波的规律传播的一种电磁振动。”1888年，电磁波被证实年，电磁波被证实海因里希海因里希鲁道夫鲁道夫赫兹（赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857年年2月月22日日1894年年1月月1日），德国物理学家日），德国物理学家麦克斯韦麦克斯韦去世8年之后，其理论获得去世8年之后，其理论获得完美验证完美验证51888年，德国卡勒休高级技术学校实验物理教授赫兹实验证实了麦克斯韦所预言的电磁波的存在。05电磁波的预言及赫兹的实验验证赫兹实验