物理学史第三章-电磁学和光学史

1、第3章 电磁学和光学发展史,粒子 场,第二次工业革命,电、磁、光学现象的大统一,3.1 早期人类的电、磁知识,古希腊 泰勒斯 磁石吸铁；摩擦后的琥珀吸引轻小物体 古中国 管子 “上有慈石者，下有铜金” 古中国（约战国时期） 司南 韩非子.有度：“立司南，以端朝夕” 鬼谷子.谋篇：“郑子取玉，必载司南，为其不惑也” 北宋时期 指南鱼、指南针 用于航海,西汉末年 “玳瑁吸偌” 吴国 虞翻：琥珀不取腐芥；都邛：“吴绫出火” 沈括 梦溪笔谈 导体绝缘体的描述 “内侍李舜家为爆雷所震，银悉熔流于地，漆器曾不烧灼。”（明朝末年，庄绰：雷火所及，金石销熔，而漆器不坏。） 地磁倾角 “常微偏东，不全南也。”

2、避雷装置：庙宇“雷公柱” 天坛,早期对电磁现象的理解,泰勒斯 “万物有灵” 卢克莱修 磁石中发射不可见的细小粒子，进入铁中，引起两者的吸引作用 西汉刘安 淮南子 “阴阳相薄为雷，激扬为电” 陈显微（宋） “磁石吸铁，皆阴阳相感，阻碍相通之理”,威廉 吉尔伯特 （1544-1603）,西方电磁学系统研究的第一人 论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体 1600年 磁球实验 地球和磁球对磁针作用相同 第一个验电器 电性：摩擦后的琥珀、金刚石、松脂等 指出电和磁的不同， 认为是无关的现象,3.2 静电学的建立,产生和保持稳定的静电 1660年摩擦起电机（德国 奥托冯盖里克 酿酒商、工程师 大硫磺球 、布

3、帛摸抚 ） 认识到电力和地球引力不同,1745年 莱顿瓶（克莱斯特、马森布洛克） 贮存静电,静电作用的经验规律,1720年 格雷 电的传导；导体的静电感应 1733年 杜菲 区分松脂电（负电）和玻璃电（正电） 同性相斥、异性相吸 富兰克林 天电和地电的同一性，避雷针 电的单流体假说 电荷守恒原理,库仑定律的建立,平方反比关系的猜测 爱皮努斯（德国） 1759年 假设电荷间的斥力或引力随距离增大而减小 D. 伯努利 1760年 富兰克林空罐实验 1755年 普利斯特利（ 1767年）猜想平方反比力 （类比引力）,库仑定律的建立,平方反比关系的验证 罗比逊 1769年 转臂试验 （斥力平方反比）

4、卡文迪什 1773年 空心金属球试验 示零法 库仑 1785年 电扭秤实验 静电斥力、引力， 以及磁力均符合平方反比定律,一条蛙腿引发的论战,华尔士 1772 电鱼的放电实验 伽伐尼 1780年 蛙腿实验 雷雨天和晴天看到同样现象 两种不同金属或同一种金属做成的杆子给出同样的效应 结论：金属杆仅起了导体的作用，蛙腿神经中有电源 伽伐尼：“生物电！” 1791,肌肉运动中的电力,3.3 稳恒电流的产生及其性质,伏打 1794年 金属接触电： 没有蛙腿，两种金属接触也会有电产生；同种金属组成的杆的效应源于杆不同部分状态的差异（温差电） 金属带电顺序：锌铅锡铁铜银金石墨 接触时，前面的倾向于带正电

5、伏打电堆和电池 1800年 第一个电池,奥斯特效应,电和磁有无关联？ 1731年 雷闪过后，一箱刀叉带上磁性 1751年，富兰克林：莱顿瓶放电使缝纫针磁化 1774年，德国巴伐利亚电学研究所： “电力和磁力是否存在实际的和物理的相似性？”,多数科学家（如库仑、安培、毕奥） 仍认为电和磁无关。,奥斯特：自然力是统一的，且可以相互转化,奥斯特效应：电磁学的起点,奥斯特（丹麦，1777-1851） 电流的磁效应 1820年，电流驱动磁针转动，电流的磁效应沿着围绕导线的螺旋方向。 （安培右手法则） 毕奥-萨伐尔定律 电动机的工作基础！ （亨利 1831年）,安培定律和分子电流假说,安培定律 1827年

6、 两个电流元之间的作用力为 安培：电流元间作用力是电磁现象的核心 不仅宏观电流直接产生了磁场，磁铁的磁场也是由内部的“分子电流”产生的。 （地球磁场；带电粒子的角动量）,欧姆定律 1826年,和傅里叶热传导规律类比： 温度差“电张力” 引入电动势、电流强度、电阻刻划实验 电路理论的基础,3.3 电磁感应的发现,电流生磁 VS 磁场生电,科拉顿 1825年 将试验线圈和电流计放在两个房间,安培 1822年 论证分子电流的铜环实验（其实是线圈通断电瞬间的宏观感应电流）,阿拉果 1822年 磁针摆动受到附近金属的阻尼,亨利 1829年 自感现象；1830年 电磁感应现象,法拉第的工作,坚强的信念：

7、笃信自然力的统一 两个对比 从1824年到1828年，分析磁对电的作用，寻找导体中的感应电流，均失败 1831年8月29日：突破：瞬变,1831年11月，报告英国皇家学会：产生感应电流的情况可以分为五类：1变化中的电流；2变化中的磁场；3运动的稳恒电流；4运动中的磁铁；5运动中的导线。 楞茨（Lenz）1833年 总结出楞茨定则，说明感应电流的方向 1845年，纽曼（F.E.Neumann，17981895）给出电磁感应现象的数学表述，即感应电动势为：,（矢势）A的线积分等价于磁场的面积分,3.4 电磁场理论的建立,电极与磁极周围充满力线，纵向力图收缩，横向力图扩张； 电介质对电力作用的影响，

8、表明电力不可能是超距作用 力线本身是一种物质，在真空中也可以存在：场，物质的空间分布,一. 法拉第力线思想,从类比中借鉴方法和思路：处理新现象的第一步 目的：将力线思想翻译成数学公式，利用热传导理论和弹性理论。 （傅立叶 1824年热的分析理论：热传导方程） W.汤姆孙 1842年论热在均匀固体中的均匀运动及其与电的数学理论的联系 等势面等温面；电荷热源；把力线思想与拉普拉斯、泊松等人的静电理论结合起来 1847年论电力、磁力和伽伐尼力的力学特征 不可压缩性流体的流线连续性，类比电磁现象和流体力学,二. W. 汤姆孙的类比研究,三. 麦克斯韦电磁场理论,Maxwell的三部曲,介绍：比W.汤姆

9、孙小7岁（都获得过数学竞赛奖） ；15岁发表几何学论文，注意斯托克斯的工作；阅读电学实验研究 1、1856年论法拉第的力线 力线与流线，不中断；两类概念：一类如力，E、 H, 另类如流量，D、B，流量服从连续性方程，可以沿曲面积分，而力则应沿曲线积分。,“在这6个定律中， 我要表达的思想， 我相信是 电学实验研究 中所提示的思想模 式的数学基础。”,麦克斯韦：关于类比方法 “为了采用某种物理理论而获得物理思想，我们应当了解物理相似性的存在。所谓物理相似性，我指的是在一门科学的定律和另一门科学的定律之间的局部类似。利用这种局部类似可以用其中之一说明其中之二。”,2、五年以后，论物理力线 分四个部

10、分，载于1861年和1862年的哲学杂志 “目的是研究介质中的应力和运动的某些状态的力学效果，并将它们与观察到的电磁现象加以比较，从而为了解力线的实质作准备。” 两件事使麦克斯韦重新考虑他的研究方法： （1）伯努利的流体力学预言流线越密的地方压力越小，流速越快；根据法拉第的力线思想，力线有纵向收缩、横向扩张的趋势，力线越密，应力越大。 （2）电的运动和磁的运动也无法简单类比。 电的运动是平移运动，磁的运动更象是介质中分子的旋转运动。 借用兰金（W.J. M.Rankine）的“分子涡流”假设： 假设在磁场作用下的介质中，有规则地排列着许多分子涡旋，绕磁力线旋转，旋转角速度与磁场强度成正比，涡旋

11、物质的密度正比于介质的磁导率。,麦克斯韦分子涡旋模型,分子涡旋具有弹性，粒子受 电力作用产生位移时，使涡 旋产生切向形变，磁力的转 动能发生变化；而电力表现 为位移回复的弹性位能。,“在一个受到感应的电介质中， 每个分子中的电都发生这样的 位移：一端为正电，另一端为 负电，而这些电仍然完全同分 子联系在一起，不会从一个分 子转移到另一个分子。“这种作用对于整个电介质是沿 某一方面产生了总的位移。这 一位移并不形成电流。 但当电流开始时，和当位移时 增时减因而形成不断变化时， 就会根据位移的增加或减少， 形成沿正方向或负方向的电流。”,位移电流的假设 麦克斯韦的理论预言光是起源于电磁现象的横波。

12、既然电介质中的粒子位移可以看成是电流，就可以把电流与磁力线的相互作用推广到绝缘体 柯尔劳胥（R.H.A. Kohlrausch）和 W.韦伯 1857年 E=310740千米/秒；斐索(Fizeau)1849年用齿轮法测到的光速c=315000千米/秒。 麦克斯韦：“我们难以排除如下的推论：光是由引起电现象和磁现象的同一介质中的横波组成的。”,3、电磁场的动力学理论 1865年 已放弃分子涡旋的假设，但仍坚持近距作用，假设电磁作用是由物体周围介质引起的。 “我提出的理论可以称为电磁场理论，因为它必须涉及电体和磁体附近的空间，它也可以称为动力理论，因为它假设在这一空间存在着运动的物质，观测到的电

13、磁现象正是这一运动物质引起的。” “电磁场是包含和围绕着处于电或磁状态的物体的那部分空间，它可能充有任何一种物质”，“介质可以接收和贮存两类能量，即由于各部分运动的实际能（动能）和介质因弹性从位移恢复时要作功的位能。” 关于电磁感应：再次运用类比方法来说明电流的电磁动量（“电应力状态”，矢势A）。 提出了电磁场的普遍方程组，共20个方程，含20个变量 。 赫兹 简化麦克斯韦方程组,四. 电磁波的实验证实,1853年，W. 汤姆孙 在有线圈的回路中莱顿瓶的放电是振荡式的,1883年，费兹杰惹 可通过电流的周期性变化产生电磁波,1888年，赫兹 论电力的辐射 产生电磁波，全面证实电磁波和光波是同一

14、种物质,1832年，法拉第 预见到电磁波的存在,电磁波种类及名称,五. 洛伦兹的电子论,电磁作用的微观基础？,亥姆霍兹(1870)：媒质的极化；“电粒子”观念,洛伦兹 运动电荷受到的电磁场的作用力：洛伦兹力 电磁场源于物质中电子的运动 物质的电磁性质由其中的带电微粒（电子）决定 电磁波与电子的相互作用决定物质的宏观电磁学性质,经典光学发展史,墨翟(468BC-376BC) 墨经 (388BC) 投影，小孔成像，平面镜，凹面镜，凸面镜，焦距,欧几里得(330BC-260BC) 反射光学 光的反射,阿勒哈增(965-1038) 光学全书,“光阴”的故事： 光具有在同一媒质中 直线传播的特性 反射

15、反射定律 希腊柏拉图学派 反射光学 入射光线、法线和反射光线共面；入射和反射光线位于法线两侧；入射角等于发射角,3.5 几何光学的建立,折射定律,托勒密 折射角和入射角成正比 开普勒 折光学 1611年 测量入射角和折射角之比； 发现全反射（光路可逆性） 斯涅尔 （荷兰） 1621年 光从一种媒质进入另一种媒质发生折射，入射角的正弦和折射角的正弦的比值为常数,折射定律的两个理论解释,笛卡尔 方法论 1637年 将光看做小球样的粒子；需假定光速在光密介质中大于在光疏介质中 费马 1661年 最小光程（最短时间）原理 光在任意媒质中的两点间沿所需时间最短的路径进行传播 所有几何光学的基础 解释折射

16、定律要求光的速度在光密介质中小于在光疏介质中,绚丽多彩的世界,3.6 颜色的本质,亚里士多德：不同的颜色源于光受到不同的阻滞 西奥多里克 13世纪：人造彩虹 笛卡尔 三棱镜实验：彩色的产生并非由于媒质阻滞的不同 马尔西 1648年 光的色散实验：光的不同颜色源于受物质的不同作用,牛顿的色散实验 光学1704年,扩大棱镜到屏的距离，得到充分展开的光谱 不同颜色的光具有不同的折射性质 物体的颜色源于物体对该种光的反射大于对其它光的反射 牛顿的“判决性试验”： 从太阳光（白光）中可分出不同颜色的光，其折射性质和从白光的色散中得来的一致,3.7 光的本性之争,笛卡尔 “以太”假设（物体间的作用力通过充

17、满整个空间的以太传递）：光是一种压力，在完全弹性、充满一切空间的以太中传递 胡克 1667年 显微术 薄膜干涉 光是一种快速脉冲 “发光体的每个脉冲形成一个球面球面的所有部分与射线以直角相交”,一、光的波动说,惠更斯原理,惠更斯 相交光线的传播彼此不受影响：波！ 光是发光体的粒子的振动在以太中传播的过程“以太波” 以太波的传播是振动的传播：以太纵波（疏密波） 惠更斯原理 反射、折射、双折射 不能解释干涉、衍射、偏振等,笛卡尔：用微粒图像解释光的折射现象 牛顿：如果光是脉冲，为何总沿直线传播？ 光是从光源飞出的微粒流，在真空或者媒质中做惯性运动 微粒说可解释反射、折射以及光的直进性等 可用微粒和

18、障碍物或以太的作用解释干涉、衍射,二、光的微粒说,托马斯杨 （1773-1829） 1801年 用波动说解释薄膜干涉 提出干涉原理 强调光的相干性（同一光源） 1803年 双缝干涉实验 波的典型特征 1808年 马吕斯发现偏振现象 与光的纵波图像矛盾,三、波动说的复兴和物理光学的建立,菲涅尔（1788-1826） 1816年，和阿拉果 偏振方向垂直的两条光线不发生干涉 （1817年，杨：振动是横向的！） 1818年 法国科学院悬奖征文，鼓励用微粒说解释衍射现象（毕奥、拉普拉斯、泊松） 1818年 从光是横波出发，将惠更斯原理定量化，并引入干涉原理，成功地解释了光的干涉和衍射 1819年 光是一

19、种横向振动,泊松：圆盘衍射的影子中心会出现亮点 阿拉果用实验证实 傅科，1850年 水中的光速比空气中的光速慢！ 波动说的最后胜利！,3.8 光学的进一步发展,早期研究 牛顿色散实验：太阳光谱（光波长分布）；可见光区；用圆孔做光阑 赫谢尔，1800年：太阳光谱的热效应，红端以外区域具有热效应红外线 里特尔，1801年：紫外线，能量比可见光高 沃拉斯顿，1802年：太阳光谱中存在黑线 托马斯杨，1803年：用双缝干涉可以测定光的波长,一、光谱学,光谱分析的发展 夫琅和费，1814-1815：标定太阳光谱黑线位置夫琅和费线；衍射光栅，测定波长 傅科，1848年：钠金属火焰既发射也可能吸收D线 基尔霍夫&本生，185