物理学与社会进步

物理学与社会进步第1页，课件共80页，创作于2023年2月2、静磁学的发展、人物和应用在西方，第一个记述磁现象的人是泰利斯，在小亚细亚Magnesia发现了磁铁矿，Magnet来自于地名。系统研究是英国医生吉尔伯特（英国女王伊丽莎白一世的御医），把磁石加工成“小地球”，模拟“地磁”，研究磁偏角。在中国，磁矿，对铁有吸引力，是铁的母体，管仲称为“慈石”；秦始皇修阿房宫，做了磁铁门；公元前4世纪，利用磁体做“司南”，指明方向，指南针，郑和下西洋。第2页，课件共80页，创作于2023年2月1、静电学的开端古代的中国与电中国，三千多年前的甲骨文中已经有了“电”，所指的雷电。公元前2世纪的方士们用元气论解释了雷电的形成。提出：“阴阳相薄为雷，激扬为电”（西汉刘安《淮南子.坠形训》），并发明了名叫“砥吻”的避雷装置（唐代王睿《灸壳子》）。第3页，课件共80页，创作于2023年2月评述：元气论认为，万物的基本成分是阴、阳二气。类似于我们说的正电、负电，有无“粒子性”没有说明。“阴阳相薄，激扬”有“阴气、阳气相互摩擦”的含义。“砥吻”原指神话传说中的能够噴浪降雨的大鱼，后来指的是屋脊两端的鱼尾装砖瓦。雨天的屋面和墙壁是与大地相同的导体，通过“砥吻”的尖端放电可以达到避雷的目的。第4页，课件共80页，创作于2023年2月希腊哲学家泰利斯（前6世纪）记录了织工们的发现：毛皮摩擦过的琥珀具有吸引轻小物体的能力。16世纪，英国医生吉尔伯特，英国女王伊丽莎白一世的御医，对金刚石、硫磺、明矾等物质做了实验，摩擦后能够获得吸引轻小物体的能力。称为电性。琥珀,希腊文,英语electron,electricity.盖里克，多才多艺的工程师，担任德国马德堡市长35年。1654做了马德堡半球实验;1660年，用硫磺球做实验，布帛与之摩擦，发明了一台产生大量电荷的摩擦起电机，用起电机带电吸引轻小物体羽毛。实验装置第5页，课件共80页，创作于2023年2月

二、电磁理论的建立1.开始2.发展伽伐尼伏达库仑扭秤库仑

伏打电池堆第6页，课件共80页，创作于2023年2月罗宾逊卡文迪许，贵族，科学研究中，比库伦早11年；米切尔与卡文迪许的友谊。库伦万有引力理论的指导（类比）＋实验1971年，测到的精度第7页，课件共80页，创作于2023年2月真空中,点电荷q1、q2，相距为r图10-1q1q2rF实验规律：方向：同性相斥，异性相吸0称为真空介电常数库仑定律第8页，课件共80页，创作于2023年2月库仑定律(10-1)

er

是从点电荷q1指向点电荷q2的单位矢量。q1q2rF图10-1①库仑定律的适用范围：点电荷

若带电体不能视为点电荷，则采用“化整为零，集零为整”方法处理。第9页，课件共80页，创作于2023年2月作用产生电荷q1

产生电场作用电荷q2q1q2rF图10-1已证实：

电荷q1和q2没有接触，是如何发生相互作用的呢？什么是电场？如何描述电场？§10-4电场和电场强度第10页，课件共80页，创作于2023年2月§10-4电场和电场强度一、电场：存在于电荷周围的一种特殊的物质物质性：①电场对处于场中的电荷有力作用②电场力对场中的运动电荷做功，电场具有能量

③

电场能与其他物质（导体、电介质）相互作用特殊性：区别于实体物质，电场具有空间叠加性。静电场：由相对于观察者静止的电荷激发的电场第11页，课件共80页，创作于2023年2月二.电场强度矢量E目的：定量描述电场的强弱和方向出发点：电场对电荷施力作用准备工作：试验电荷q0条件：相对于场分布的空间，q0可视为点电荷。q0电量足够小，对待测的电场分布的影响可忽略。实验现象：①同一q0

，在场中不同点，受力大小和方向各不相同。②在场中的同一点，不同q0

（同性）受力大小不同但方向一致第12页，课件共80页，创作于2023年2月定义：大小：q0=+1C,E=F单位：N/C,或V/m物理含义：

电场中某点处的电场强度是一矢量。其大小等于单位电荷在该点所受电场力的大小。q0为试验电荷的电量,q0可正、可负，为试验电荷所受的力.F方向由定出.据此，将及的方向合起来作为一个物理量，用来描述该点处的电场的性质。F第13页，课件共80页，创作于2023年2月具体讲：q0为正，则与q0受力方向相同Eq0为负，则与q0受力方向相反Eqq0EFqq0Fq0因极性不同，受力方向不同，但q0所在处场强的方向是唯一的。由场源电荷q的电性决定.q为正，背向qEq为负，指向qEE第14页，课件共80页，创作于2023年2月三.、场强叠加原理E1q2E2-q3E3q4E4q1P若：第i个点电荷在P点激发的电场为Ei则：P点总场强注意：①是各的矢量和

EiE若电荷为连续分布的带电体，则取电荷元dqdE第15页，课件共80页，创作于2023年2月若各同向时，dEdE若各不同向时，方向：第16页，课件共80页，创作于2023年2月四、场强的计算1.点电荷q的电场qr.P图10-2(10-5)E的大小：

若q>0,电场方向由点电荷沿径向指向四周；若q<0,则反向。即点电荷的电场具有球对称性。第17页，课件共80页，创作于2023年2月

例题10-3

一圆环半径为R、均匀带电q，求轴线上一点的场强。

解由对称性可知，轴线上的电场方向是沿轴线向上的。即注意：

任何均匀带电的旋转体(如圆形、球形、柱形)用圆环公式积分求电场最为方便。poR图10-7xqrdq第18页，课件共80页，创作于2023年2月

例题10-4

一均匀带电的薄圆盘，半径为R、面电荷密度为，求圆盘轴线上一点的场强。

解分为若干园环积分。图10-8xpEx.2rdr当R(x«R)时,这正是无限大平面的电场。第19页，课件共80页，创作于2023年2月电磁理论的建立富兰克林奥斯特安培高斯法拉第汤姆孙第20页，课件共80页，创作于2023年2月15法拉第人格、研究方法、成就、意义以及不足之处16电磁感应定律的发现、意义、方法第21页，课件共80页，创作于2023年2月电磁理论的建立麦克斯韦3.建立与发展赫兹Einstein爱因斯坦第22页，课件共80页，创作于2023年2月

电池的发明可追溯至18世纪末期，当时意大利生物学家伽伐尼在进行著名的青蛙实验，当用金属手术刀接触蛙腿时，发现蛙腿会发生抽搐。铁银

发现电流的第一人，但认为是一种动物电。

意大利帕维大学教授伏打，否定了伽伐尼动物说。他认为，电来自两种不同金属的接触，青蛙只不过是起了验电器的作用。伽伐尼1、化学电池-动电的来源第23页，课件共80页，创作于2023年2月伏打电池（原电池）

伏打电池的锌电极在溶液中带有负电荷，是因为每个锌原子在锌板上留下两个电子后变为带两个正电荷的锌离子（Zn++）进入溶液中。

铜电极在稀硫酸溶液中不易溶解，放电较锌电极弱得多，带正电。铜电极的电位比锌电极电位高，正是这个电势差形成了伏打电池的电动势而成为化学电源。第24页，课件共80页，创作于2023年2月

伏打电池堆尊重伽伐尼，称为伏打伽伐尼电池干电池原理

电作用的强弱（失去电子的强弱）排序为

锌-铅-锡-铁-铜-银-金-石墨

伏打电池堆干电池

伏打向人们获得稳定的持续的电流提供了一个方法，是电学从对静电的研究进入到对动电的研究，对电学的研究具有深远的意义.

第25页，课件共80页，创作于2023年2月2、奥斯特实验——电流磁效应(1)奥斯特实验意义奥斯特信奉康德的哲学，认为力可以相互转化。富兰克林发现，电流可以使钢针磁化。未深入

奥斯特白金丝接电源，发热，发光，磁针不动。不是纵向，是横向。抖动一下，观察，60次实验，1820年7月21日，其成就轰动了欧洲。INS第26页，课件共80页，创作于2023年2月安培怀表变卵石马车车厢做“黑板”

奥斯特发现电流磁效应后，法国阿拉果1820年9月4号向法国科学院报告并演示了奥斯特实验，引起了安培、毕奥、萨伐尔立即行动，发展奥斯特成果。安培、毕奥、萨伐尔三者的争论。法拉第的参与2同向电流和异向电流之间作用1电流产生磁场的安培定则3分子电流假说的远见与批判第27页，课件共80页，创作于2023年2月1882年,安培对这些实验事实进行分析的基础上，提出了物质磁性本质的假说：一切磁现象都起源于电流，起源于电荷运动。通电导线的磁性，起源于传导电流；磁铁的磁性，起源于分子电流；电磁波的磁性，起源于位移电流；结论：磁和电不可分。磁场就是电流的磁场。电流1磁场电流2运动电荷磁场运动电荷第28页，课件共80页，创作于2023年2月二、磁场—由电流在周围空间激发的一种特殊物质物质性表现：①磁场对电流或运动电荷能施力的作用②磁场能对载流导体做功—磁场具有能量③磁场能与其他物质相互作用—使磁介质磁化特殊性表现：①区别于实体物质，具有空间叠加性。②区别于电场，磁场只存在于运动电荷周围，只存在于电流周围。第29页，课件共80页，创作于2023年2月

真空中，电流元Idl

在P点产生的磁场为毕奥-萨伐尔定律！

上式称为毕奥-萨伐尔定律。

1.公式中的系数是SI制要求的。真空的磁导率：o=410-72.r是从电流元Idl指向场点P的矢量。

r是电流元Idl

到P点的距离。IdlPr第30页，课件共80页，创作于2023年2月大小：Idl=电流I线元长度dl。方向：电流I的方向；4.磁场的大小：

方向：由右手螺旋法则确定(见下图)。3.电流元Idl

是矢量。B是Idl与r之间的夹角。BIdlPr第31页，课件共80页，创作于2023年2月思想:化整为零，集零为整

5.对载流导体求磁感应强度B将载流导体分成若干电流元Idl,求dB载流导体产生的磁感应强度应当注意：上面的积分是求矢量和。第32页，课件共80页，创作于2023年2月直电流圆电流螺线管电流第33页，课件共80页，创作于2023年2月例题

求直线电流的磁场。

解选坐标如图,

方向：垂直纸面向里(且所有电流元在P点产生的磁场方向相同);所以直线电流在P点产生的磁场为

电流元Idx在P点所产生的磁场为Pa.IxIdxrox第34页，课件共80页，创作于2023年2月

由图可以看出:

x=atg(-90)=-actg完成积分得12P点磁场方向:垂直纸面向里。BIPa.IxIdxrox第35页，课件共80页，创作于2023年2月注意：

1.上式中的a是直电流外一点P到直电流的垂直距离。

2.1和

2是直电流与(直电流端点与场点P的)连线的夹角。1

和

2应取同一方位的角。2PI1a第36页，课件共80页，创作于2023年2月

讨论:(1)对无限长直导线,IB1=0,

2=,则有2PI1a1=/2,

2=,则有(2)对半无限长直导线,第37页，课件共80页，创作于2023年2月P

(2)如果P点位于直导线上,求P点磁场IdlI=0

如果P点位于直导线的延长线上,则P点的磁感应强度也必然为零。如果P点位于直导线上或其延长线上,则P点的磁感应强度必然为零。

如果P点位于直导线上,则P点的磁感应强度必然为零。第38页，课件共80页，创作于2023年2月

例题圆电流轴线上一点的磁场。

解由对称性可知，P点的场强方向沿轴线向上。sin有B=即BIRxpdBrIdldB第39页，课件共80页，创作于2023年2月在圆电流的圆心o处,因x=0,故得

由于各个电流元在圆心处产生的磁场方向相同，因此，如半圆弧圆心处的磁场：B=当然，圆心之外这个结论就不正确了。

一段圆弧形电流在圆心处产生的磁场就是圆电流在圆心产生磁场乘以(圆弧弧长与圆周长之比)。BIRxpdBrIdldBo第40页，课件共80页，创作于2023年2月载流直螺线管BI密绕在圆柱面的螺旋线圈称为螺线管。

设直螺线管半径为R，线圈中电流为I，总长为L，总匝数为N.单位长度的线圈匝数n：

RILN

P求轴上任意一点P的Bp=?第41页，课件共80页，创作于2023年2月

RILNdxPx

取dx段：（视为圆电流）方向如图第42页，课件共80页，创作于2023年2月RILNdxPxβ取β为参量，有：第43页，课件共80页，创作于2023年2月注意：1.β1、

β2是轴线与连线的夹角。β1、

β2应取同一方位的角。RILNdxPxββ1β2第44页，课件共80页，创作于2023年2月

RILN

P讨论:(1)如果直螺线管为无限长（L>>R），轴线上磁场β1β2第45页，课件共80页，创作于2023年2月12安培其人、研究方法、成就、意义14安培与毕奥-萨伐尓的成就、争论、意义和启示第46页，课件共80页，创作于2023年2月（1）力线的观点——两点(c)一对等量正电荷(d)一对等量异号电荷3、法拉第的贡献媒介作用；空间叠加性第47页，课件共80页，创作于2023年2月磁力线图第48页，课件共80页，创作于2023年2月首先介绍几种简单的电磁感应现象。IiIiI(t)Ii（2）电磁感应,婴儿的故事第49页，课件共80页，创作于2023年2月

电磁感应定律由法拉第1831年提出，但他未给出定量的数学表达式。定律形式由（F.Neumann）1845年给出。考虑到楞次定律，加了个符号。

电磁感应定律问世是一个大事，为人类进入电气时代奠定了基础。当法拉第表演其实验时，贵妇人取笑道：你发明的这个玩意儿有什么用？法拉第说：夫人，新生的婴儿有什么用？过了30年，西门子1867年发明了发电机。法拉第却在1867年坐在轮椅上悄悄告别人世。法拉第一生过着清贫的日子。不少公司和厂家愿以重金聘请他担任顾问，他拒绝了。其学生丁铎儿说：这位铁匠的儿子，定书商的学徒，可以得到15万镑的财富。另一方面是没有报酬的学问。他选择了后者，过着贫困的日子。这使得英国的科学声誉比别国都高，获得了接近40年的光荣。第50页，课件共80页，创作于2023年2月1分子运动论2麦克斯韦方程组A随时间变化的磁场可以产生电场旋涡电场：区别于静电场B变化的电场可以产生磁场C波速二、电磁理论的完成第51页，课件共80页，创作于2023年2月BIab

静电场：由电荷产生，是保守力场；电力线起于正电荷，止于负电荷，不形成闭合曲线。

感生电场：由变化的磁场激发，是非保守力场；其电力线是闭合曲线,

故又称为涡旋电场。

4.感生电场与静电场的比较感生电场的方向可用楞次定律来确定。

感生电场Ei的电力线是围绕磁力线的闭合曲线；第52页，课件共80页，创作于2023年2月位移电流密度：位移电流强度：(12-19)即:电场中某点的位移电流密度等于该点电位移矢量对时间的变化率；通过电场中某面积的位移电流强度等于通过该面积的电位移通量对时间的变化率。麦克斯韦认为:变化的电场是一种电流，即位移电流。麦克斯韦指出：(12-18)图12-39kIlE+q-q第53页，课件共80页，创作于2023年2月麦克斯韦方程组的意义：(1)概括、总结了一切宏观电磁现象的规律。(2)预见了电磁波的存在。变化的磁场激发电场变化的电场激发磁场

电磁场这样交替激发，就可以离开场源而在空间作为一个整体传播开去，从而形成电磁波。图12-43i变化的磁场产生的电场和磁场相互垂直。第54页，课件共80页，创作于2023年2月1.波速真空中：

可见,真空中电磁波的传播速度即为光速。这与实验结果一致。这也表明,光波就是在某一波段的电磁波。

=c。2.电磁波是横波

E，H的方向与传播方向垂直。(传播方向)xyz第55页，课件共80页，创作于2023年2月1发现了电磁波2电磁波的波速、类光实验反射、聚焦、衍射、折射、干涉麦克斯韦的理论取得了决定性胜利。“自牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家”。爱恩斯坦感叹说：“物理学家花了几十年时间理解麦克斯韦的理论，赫兹的实验以后，对新理论的抵抗才被打垮”。第56页，课件共80页，创作于2023年2月

赫兹在物理学上的主要贡献是发现电磁波。当时人们对电磁理论的认识还很不一致。1879年，亥姆霍兹为柏林科学院设计的重金悬赏中，提出了用实验验证麦克斯韦电磁波的理论和预言。1894年1月1日。因血液中毒在波恩逝世，年仅36岁。为了纪念他的卓越贡献，将频率的单位命名为赫兹。

爱因斯坦评价说：“只是等到赫兹以实验证实了麦克斯韦电磁波的存在以后，对新理论的抵抗才被打垮。”可以说，赫兹的卓越实验，为麦克斯韦的理论添上了至关重要的一笔。其后迅速发展起来的无线通讯技术，则是直接受惠于赫兹的无与伦比的实验。第57页，课件共80页，创作于2023年2月

一项伟大的科学成果从发现到为人类所利用，往往需要经过几代人前赴后继的努力。麦克斯韦预言电磁波的存在，但却没有能通过亲手实验证实他的预言；赫兹透过闪烁的火花，第一次证实电磁波的存在，但却断然否认利用电磁波进行通信的可能性。他认为，若要利用电磁波进行通信，需要有一面面积与欧洲大陆相当的巨型反射镜。

马可尼自幼便有广泛的爱好，对电学、机械学、化学都有浓厚的兴趣。13岁便在赫兹证实电磁波存在的论文的启发下，萌发了利用电磁波进行通信的大胆设想。他时而在阁楼上，时而在庭院或农场里进行无线电通信的试验。第58页，课件共80页，创作于2023年2月1897年，马可尼建立了世界上第一家无线电器材公司——美国马可尼公司。1898年，英国举行游艇赛，终点是距海岸20英里的海上。《都柏林快报》特聘马可尼用无线电传递消息，游艇一到终点，他便通过无线电波，使岸上的人们立即知道胜负结果，观众为之欣喜若狂。可以说，这是无线电通信的第一次实际应用。

1909年，马可尼获得诺贝尔物理学奖，这年他才35岁。马可尼发送第一封无线电报的设备复制品第59页，课件共80页，创作于2023年2月西门子发电机、雅克比电动机（12乘客航行）变压器的发明与输电、交流电电力传输系统1万伏特电压从七公里外送到伦敦，降到100V，给用户使用。电灯：铂金丝、碳弧光灯、钨丝电报机：莫尔斯电码，海底电报电缆，开尔文无线电传播：马可尼、波波夫，过英吉利海峡，1901年过加拿大到英国。二极管、三极管电子管第60页，课件共80页，创作于2023年2月二极管、三极管电子管1923年美国从华盛顿到费城发送了哈丁总统的照片；1928年美国出现电视台。无线电广播、电视量子力学与半导体二极管、电子计算机第61页，课件共80页，创作于2023年2月

亨利的故事。电磁波发射与接收装置第62页，课件共80页，创作于2023年2月密立根实验

汽车是个静电屏蔽室第63页，课件共80页，创作于2023年2月金属封顶盖封口纸颈圈纸金属外壳绝缘纸筒电芯纸托底纸金属底板（－）锌筒电解液NH4Cl，水ZnCl2，淀粉

电芯

MnO2，C，

NH4Cl，水(+)碳电极一次电池结构示意图第64页，课件共80页，创作于2023年2月第65页，课件共80页，创作于2023年2月第66页，课件共80页，创作于2023年2月2010年首个诺贝尔奖+搞笑诺贝尔奖双料得主诞生——荷兰科学家AndreGeim。

十年前他因磁悬浮青蛙获得搞笑诺贝尔奖。

十年后他因石墨烯（graphene）的结构获诺贝尔奖。青蛙属于抗磁质。当青蛙被放到磁场中，青蛙的每个原子都像一个小磁针，外界磁场对这些小磁针作用的结果产生了向上的力，如果磁场的强度适当，这力与青蛙受的重力达到平衡，它们就能悬在空中。实际上动物都属于抗磁质，只要用足够强的磁场，就有可能使人悬浮起来。第67页，课件共80页，创作于2023年2月直电流圆电流螺线管电流第68页，课件共80页，创作于2023年2月电磁学的进程

证实电磁波的存在–––赫兹(1888)

建立电磁理论–––麦克斯韦(1865)

发现磁变电

–––––

法拉第(1831)

发明电磁铁––––––––斯特詹(1825)

发现电变磁––––––––

奥斯特(1820)

发现磁能吸铁指南––––

战国时期(前475)

第69页，课件共80页，创作于2023年2月第70页，课件共80页，创作于2023年2月奥斯特早在读大学时就深受康德哲学思想（一元论）的影响，认为各种自然力都来自同一根源，可以相互转化。他认为电向磁的转化不是不可能的，关键是要找出转化的具体条件。寻找这两大自然力之间联系的思想，经常盘绕在他的头脑中。1819年冬，奥斯特在哥本哈根开设了一个讲座，讲授电磁学方面的课题。在备课中，奥斯特分析了前人在电流方向上寻找磁效应都未成功的事实，想到磁效应可能像电流通过导线产生热和光那样是向四周散射的，即是一种横向力，而不是纵向的。1820年4月的一天晚上，奥斯特在讲课快结束时，他说：让我把导线与磁针平行放置来试试看。当他接通电源时，他发现小磁针微微动了一下。物理史话发现电流磁效应奥斯特(1820)第71页，课件共80页，创作于2023年2月

这一现象使奥斯特又惊又喜，他紧紧抓住这一现象，连续进行了3个月的实验研究，终于在1820年7月21日发表了题为《关于磁针上的电流碰撞的实验》的论文。这篇仅用了4页纸的论文，是一篇极其简洁的实验报告。

奥斯特在报告中讲述了他的实验装置和60多个实验的结果，从实验总结出：电流的作用仅存在于载流导线的周围；沿着螺纹方向垂直于导线；电流对磁针的作用可以穿过各种不同的介质；作用的强弱决定于介质，也决定于导线到磁针的距离和电流的强弱；铜和其他一些材料做的针不受电流作用；通电的环形导体相当于一个磁针，具有两个磁极，等等。

奥斯特发现的电流磁效应，是科学史上的重大发现。它立即引起了那些懂得它的重要性和价值的人们的注意。在这一重大发现