高中物理 《探究电磁感应产生的条件》文字素材1 新人教版选修3-2（通用）

探究电磁感应产生的条件 电和磁的发现18世纪中期，电学也说不准因为什么缘故一下腾飞了起来。电学王国里紧锣密鼓，好不热闹。起电机、莱顿瓶、伏打电堆、白炽灯，新奇的发明一个连着一个。但是磁学园地却依然是门可罗雀，无人间津。这件事说来说去倒要怪那位电磁学之父吉尔伯特的不是。前面说过，远在古希腊时代，人们就把“慈石召铁”和“琥珀吸芥”看成是一类事情，都是一种神秘莫测的超自然现象。所以许多年来每当那些神学家碰到讲不清道理的事情时，就会说：“这种现象太神秘了，就和慈石、琥珀一个样。”可是到了17世纪，吉的白特对电和磁现象做了仔细分析、对比之后，却一口说：“这是两种截然不相同的自然现象，不能把它们混为一谈。”吉尔伯特毕竟是科学泰斗，他的话一言九鼎，谁会去提疑问，奉承还来不及哩！1780年电学家库仑说：“电和磁是完全不相同的实体。”1802年安培自告奋勇地表示：“我乐意去证明电与磁是两种不同的实体。”1807年光学家扬在自然哲学讲义一书中写道：“没有任何理由去设想电与磁之间存在着任何直接的联系。”这样一来由于对权威的迷信，束缚了不少有才华的电学家不再去留意电与磁的亲缘关系。而打破这一思想桎梏的却是一批德国哲学家。因为他们不仅看见树木，还看见了森林。当时的哲学大师康德、谢林，以及后来的黑格尔、马克思都是然界对立统一观点的信奉者。康德在自然科学的形而上学一书中写道：“人们只能经验到两种力吸引和排斥。热、电、磁等都是这两种基本力在不同的物理条件下的变形。 事实上只要稍加留意，电与磁的紧密联系是时时可见的。1735年7月就发生过这样一件事：在苏格兰的一个小镇上有家铁匠铺。老板名叫威克菲尔德，一天下午他正在干活，突然吹来一阵风，门窗摇得嘎嘎直响。他赶紧走到窗口探头张望，只见西边天上的乌云如泼了一天的墨汁，似浪似涛般地压过来。“哟，要下雷雨了。”他想去关门窗，这时铜钱般的雨点已经如 瓢洒盆泼般倾泻下来。只见一道红光在窗前亮起，接着就是嘎嘣一声脆雷。吓得他一头栽倒在地，全身不停地哆嗦一阵雷雨过后，雨过天晴。他才战战兢兢地站起来，走向铁钻墩定神一看，奇怪，原来散落在四周地上的铁钉、锉刀和薄铁片全一鼓脑儿粘到铁墩上去了。铁墩变成了一块大磁铁了！小镇上的人见识少，都以为是神在显灵。消息传开后，也有一些科学家听说了这样的怪事，猜想着雷电与磁石之间可能存在着某种联系吧！1751年富兰克林在试验他的莱顿瓶时，就发现了莱顿瓶放电可以使焊条和钢针磁化，也可以使它们退磁。戴维在研究电极的炭棒之间的弧光时，也注意到磁铁会吸引或排斥弧光，还能使弧光跟着磁铁条转动。这类报道一天天多起来，1774年德国巴伐尼亚电学院出了一个有奖征文，题目是：电力和磁力是否存在着实际和物理的相似性呢?，征文吸引了不少学者去探索这个有趣的课题，但是没有取得具体的成果。正是光阴如梭，转眼几十年过去了，不觉到了19世纪。当时丹麦的著名学府哥本哈根大学有一位年轻的物理教授名叫奥斯特(1777-1851)，他是一位药剂师的儿子，从小受过良好的教育。他兴趣广泛，学识渊博。不仅在物理，化学和天文学有精湛的造诣。而且还喜爱文学与哲学。他与著名童话作家安徒生是好朋友，经常在一起吟诗唱和。在哲学上他崇拜德国的哲学大师康德。他在1799年做的博士论文就选了对康德哲学体系的评论做题目。因此他坚信物理学不应该是关于运动、力、热、空气、光、电等许多现象的罗列，而应该把整个宇宙容纳在一个体系中。诸位读者，如果想在物理学上做出成绩的话，哲学书是不可不读的。正如恩格斯所说，摈弃哲学的人，实际上却成了最坏的一种哲学的奴隶。且说奥斯特用充满了智慧的康德哲学武装了头脑，看起问题来真是思路敏捷、高瞻远瞩。当他了解到莱顿瓶放电会使钢针磁化的事实后，立即断言：“电转化为磁是不成问题的事，关键在于寻找出转化的条件。”他仔细审读了库仑的论文，发现库仑研究的对象全是静电和静磁，这两者确实是难以转化的。他猜测在非静电，也就是电流与非静磁之间也许存在着某种转化的可能。这些想法一直萦绕在他的脑中，一天天地成熟、完整起来。他坚信终有一天，会瓜熟蒂落、水到渠成。这一天终于来到了。1820年4月某日晚上，他与往常一样到大学讲电学课。当他从容地讲完了课的内容，最后要演示一下伏打电堆的功能。当他手忙脚乱地安装仪器的时候(他的动手能力并不好，有人说他是一位天才和不幸的实验家。)脑中忽然闪过一个灵感。他似乎看到那根长导线产生的磁现象像它发热、发光那样向四面散射开来。对电流对磁体的作用也可能是“横向”的而不是“纵向”的处，于是他灵机一动，把灵敏小磁针平行地放在那根细长的铂金导线下面。“合 闸”，奥斯特一边说一边按下了开关。就在接通电源的一瞬间，前排的学生脱口喊道：“磁针动了！”奥斯特一惊，急慌切断电源。这一次他看清楚了，小磁针还在微微地晃动哩!十年来朝思暮想的电磁联系，竟这样方便地找到了。真是踏破铁鞋无觅得来全不费功夫。奥斯特激动得忘形失态，竟在讲台上滑了一跤。教室里的学生大惊失色，想教授今天怎么了?奥斯特也顾不得许多，草草结束了课，连奔带跑地回家去了。此后他一连三月，闭门谢客潜心实验。一连试了60多次，都成功了。就是在导线和磁针之间放上木头、玻璃、水、松香等非磁性物质也都不会影响磁针的偏转。(请同学们也重复一下上述实验)。1820年7月21日奥斯特发表了关于磁体周围电冲突的实验论文。这篇短短仅几页纸的论文向学术界宣告了电流的磁效应，立即轰动了整个欧洲大陆。法国化学和物理年鉴杂志发表斯特的论文的时候，特地加了如下的按语；“年鉴的读者都知道，本刊从不轻易地支持宣称有惊人发现的报告但是，至于说到奥斯特先生的文章，则其所得的结果无论显得多么奇特，都有极详细的记录为证，以至无任何怀疑其谬误的余地。”法拉第后来在评价这一发现时说；“它猛然打开了一个科学领域的大门，那里过去是一片漆黑，如今充满了光明。”当然也总有那么一些人，说奥斯特的发现是瞎猫碰上了死老鼠，完全是偶然碰上的。这实在只能说那些人是多么的无知。伽利略从吊灯发现了单摆原理；牛顿从苹果落地联想到地、月之间的万有引力：伽伐尼从蛙腿抽搐联想到生物电，哪一样不是看起来“偶然碰上”的呢!俗话说：“踏破铁鞋无觅处，得来全不费功夫。”事实上功夫是花了，而且花得很大，全花在“觅”字上了，否则怎么连铁鞋都要踏破呢!如果奥斯特不是十年如一日地含辛茹苦地钻研，那么再伟大的奇迹出现，他也会视而不见，听而不闻。消息传到了瑞士，一位在那里兼职的法国学者阿拉果 (17861853)听了也觉得不是滋味。原来他也一直在研究电磁之间的相互联系，只是没有寻找出电磁转化的具体条件。如今眼睁睁地看到即将取得的成果已被别人占了先，心里真有点酸溜溜。但转念一想，科学大道既宽又广，我何不另辟蹊径钻研下去，也许还有更大的成果等着哩!想到这里他再也坐不住了，赶紧买车票回巴黎去，原来他想与好朋友安培痛痛快快畅谈一下。法拉第法拉第1791年9月22日生在一个手工工人家庭，家里人没有特别的文化，而且颇为贫穷法拉第的父亲是一个铁匠法拉第小时候受到的学校教育是很差的十三岁时，他就到一家装订和出售书籍兼营文具生意的铺子里当了学徒但与众不同的是他除了装订书籍外，还经常阅读它们他的老板也鼓励他，有一位顾客还送给了他一些听伦敦皇家学院讲演的听讲证1812年冬季一天，正当拿破仑的军队在俄罗斯平原上遭到溃败的时候，一位二十一岁的青年人来到了伦敦皇家学院，他要求和著名的院长戴维见面谈话作为自荐书，他带来了一本簿子，里面是他听戴维讲演时记下的笔记这本簿子装订得整齐美观，这位青年给戴维留下了很好的印象戴维正好缺少一位助手，不久他就雇用了这位申请者当上了戴维的助手后，不久他就成为皇家学院的一员1813年戴维夫妇决定去欧洲大陆游历，他们带着法拉第作为秘书这次旅游进行了18个月，这对法拉第的教育起了重大作用他见到了许多著名的科学家，像安培、伏特、阿拉戈和盖吕萨克等，其中几位学者立即发现了这位陪伴戴维的朴实年青人的才华法拉第的科学活动是惊人的他从欧洲大陆旅游回来后，几年内都致力于化学分析，并在皇家学院担任助手工作，其中包括对戴维的重要协助他在1816年发表的第一篇论文，是论述托斯卡纳生石灰的性质的1860年前后，法拉第的研究活动结束时，他的实验笔记已达到一万六千多条，他仔细地依次编号，分订成许多卷，在这里法拉第快乐的显示了他过去当装订工时学会的高超技能这些笔记以及其他在装订成书以前或以后的几百条笔记，都已编成书分卷出版，其中最著名的是他的电学实验研究在大约1830年以前，法拉第主要是一位化学家，但他曾在1821年第一次着手研究电和磁，可能由此而种下了种子，十年以后即有了伟大的发现法拉第的第一个科学活动时期终止于1830年，那时他已成为很有成就的专业分析化学和实际顾问，而且更重要的是，由于他的坚实的科学成就，已赢得了国际声誉这些科学成就包括制备一些新的碳化合物，如由他命名的高氯化碳或现代命名的六氯乙烷CCI3CC13和四氯乙烯CCI2：CC12，以及研究伦敦照明用的气体（法拉第的哥哥在该部门工作）这种气体是用动物油加热而制成的，储存在圆柱形铁罐内，它往往在铁罐内残留下一种液体法拉第非常仔细而巧妙地对这种残余液体进行了分析，发现它含有一种沸点固定在80的成分，它的大致组分为CH这就是苯，它是有机化学的主要支柱之一但是法拉第发现苯时，并没有认识到它在后来的重要性，当然也不了解它的奇异的分子结构这些发明和发现表明，如果法拉第没有其他贡献，他也将被认为是杰出的化学家事实上，在十九世纪二十年代，他就已成功地液化了好几种气体他最初所用的仪器非常简陋，只是一个弯成倒V字形的结实的玻璃管他在玻璃管一端放入产生气体的物质，把另一端浸在致冷混合液体中这时放出的气体使管内的压力增加他就是采用这种简单技巧，液化了氯、二氧化硫、硫化氢、二氧化碳、一氧化二氮、氨、氯化氢以及其他物质1818年起，法拉第和一位外科医生、皇家学会会员斯托达特合作了几年，试图制造出一种改良钢，它的防锈能力要比英国当时所用的钢产品更强，能用来制造更锋利的刀片当时的冶金技术仍然偏重于经验技术印度生产的一种乌兹钢，是当时最优质的刀片钢法拉第和斯托达特在铁内掺入其他金属，例如铂、银、钯、铬等，制成了各种合金钢，但斯托达特在1823年去世，法拉第转到其他工作去了他们当时是可能发现现代冶金学的一些重要结果的他们所制刀片的一些样品至今仍保存着，其中有一些质量很高所有这些工作都证明了法拉第卓越的化学才能和工艺才能他把他的丰富经验总结为一本六百多页的巨著化学操作中，于1827年出版这是法拉第除了电学研究和其他研究论文集外所写的唯一的一本书就是在今天仔细阅读它，也会给人一种直接和新颖的非凡印象戴维曾想表示他对法拉第的感激，但皇家学院经济一直困难1825年他建议任命法拉第为实验室主任，以表示他的敬意此后不久，法拉第创办了一个定期的星期五晚讲座，至今仍延续下来法拉第曾花费了许多精力来提高他的讲演艺术，并且为此而名声卓著他对讲演提出了各种建议和准则，完善到包括一切细节，这些建议和准则一直传给了皇家学院现在的讲演人尽管皇家学院的听讲费颇为昂贵，但只要是法拉第讲演，讲演大厅里就会挤得水泄不通其他人的讲演平均只有三分之二的听众除了星期五晚讲座外，法拉第还为儿童设立了专门的通俗讲演，在圣诞节期间举行，他的圣诞节讲座的主题之一是蜡烛的化学史一个多世纪以来，曾经鼓舞了无数青年人，使他们从中获得快乐这本书已被译成了许多种文字一旦有了可能，法拉第就拒绝大部分兼职工作，严格地削减社会活动，而把全部精力用于实验研究人们得到的印象是，只有实验研究才是他真正的兴趣所在他不参加任何社会活动，拒绝了许多授给他的荣誉，包括1857年要选他为皇家学会会长法拉第成就最大的时期是1830至1839年，当时他是对现代电学发现做出贡献的第一流科学家1821年他研究了奥斯特发现的电流的磁作用，做出了一项重大发现：磁作用的方向是与产生磁作用的电流的方向垂直的法拉第还制成了一种电动机，证明了导线在恒定磁场内的转动他甚至还证明了在地磁场内的这种转动这个实验给他本人和他的同时代人都留下了深刻的印象法拉第坚信，电与磁的关系必须被推广，如果电流能产生磁场，磁场也一定能产生电流法拉第为此冥思苦想了十年他做了许多次实验结果都失败了直到1831年年底，他才取得了巨大的突破他发明了一种电磁电流发生器，这就是最原始的发电机这时的法拉第不仅做出了跨时代的贡献而且奠定了未来电力工业的基础曾有一个政治家问法拉第，他的发明有什么用处他回答说：我现在还不知道，但有一天你将从它们身上去抽税抗磁性是法拉第的另一大发现许多物质在做成细针时会使自己的方向垂直于磁力线而且它被磁铁的两极推开，这种行为是由很弱的力产生的，它要比作用在磁场中铁上的力弱得多这是很值得仔细研究的一种现象，为此法拉第花费了好几个月来研究它法拉第在他的一篇短文对射线振动的一些想法中包含了一些令人惊异的新的基本观点到十八年后，麦克斯韦建立了光的电磁理论，他说：法拉第教授在他的对射线振动的一些想法一文中明确地提出了横向磁扰动的传播的概念而为非正常的磁扰动他提出的光的电磁理论，实质上和我在这篇文章中开始提出的是相同的，不同是只是在1846年还没有实验数据可以用来计算传播速度在十九世纪五十年代，法拉第的科学活动能力有所减弱他又为记忆力和日益衰退而苦恼他虽然仍能做些实验，但速度已不如前他力图找出重力和电之间的相互作用，结果是否定的但这探索从法拉第爱因斯坦，一直到现在，仍在继续进行1862年法拉第做了最后一次实验，试图发现磁场对放在磁场内的光源发出的光线的影响，但结果是否定的，因为他用的仪器还不够灵敏，不能探测到这种微细的效应三十年后，当时还是青年的塞曼，从阅读法拉第的实验计划受到启发，他用更精密的仪器重新做实验，发现了塞曼效应，它是新原子物理学的先兆之一1860年他发表了他最后一次圣诞节讲演，18645年他辞去了皇家学院教授职务他于1867去世，终年七十六岁法拉第被公认为最伟大的自然哲学家之一法拉第的伟大成功也许部分地正是由于他所生活的时代丰富的想象力加上足智多谋的实验才能，工作热情和相应的耐性，使他能够迅速地分辨假象，统观一切他具有哲学思想，他在几何学和空间上的洞察力，以及善于持久思考的能力，正好补偿了他数学上的不足在他留下来的笔记中，有下面一段话：“我一直冥思苦索什么是使哲学家获得成功的条件是勤奋和坚韧精神加上良好的感觉能力和机智吗？难道适度的自信和认真精神不是必要的条件吗？许多人的失败难道不是因为他们所向往的是猎取名望，而不是纯真地追求知识，以及因获得知识而使心灵得到满足的快乐吗？我相信，我已见到过许多人，他们是矢志献身于科学的高尚的和成功的人，他们为自己获得了很高名望，但是还有一种此在他们心灵上总是存在着妒忌或后悔的阴影，我不能设想一个人有了这种感情能够做出科学发现至于天才及其威力，可能是存在的，我也相信是存在的，但是，我长期以来为我们实验室寻找天才却从未找到过不过我看到了许多人，如果他们真能严格要求自己，我想他们已成为有成就的实验哲学家了”开尔文勋爵对法拉第非常了解，他在纪念法拉第的文章中说：“他的敏捷和活跃的品质，难以用言语形容他的天才光辉四射，使他的出现呈现出智慧之光，他的神态有一种独特之美，这有幸在他家里-皇家学院见过他的任何人都会感觉到的，从思想最深刻的哲学家到最质朴的儿童”法拉第的科学思想方法确信各种运动形式的相互联系和相互转化法拉第对自然力(或能)的统一性具有坚定的信念，他始终不渝地为证实各种现象之间的普遍联系而努力。他在关于光的偏振面的磁致偏转文的开始就明确指出：“我长期以来坚持种看法，几乎可以说是确信，物质的力借以表现出来的各种形式，都有个共同的起源，或者换句说，它们如此地直接关联和相互依赖，以至好像可以从种形式转换成另种形式并在它们的作用中具有相等的能力。相信并力图揭示自然力的“统一性”这一指导思想是贯穿他整个研究工作的一条主线。他坚持不懈地为从实验上证实电、磁、光之间的联系而努力。显然，电磁感应现象和磁致旋光现象的发现都是在他的关于自然力之统的思想指导下得出的。法拉第在1831年发现了电磁感应，揭示了电与磁的相互联系后，并不就此止步，而是让研究继续向前发展，揭示自然界各种运动形式的普遍联系。1833年，法拉第研究了用各种不同的方法产生的电(摩擦电、电池的电、动物电、温差热电、电磁感应产生的电等等)是否是同一种电的问题，他在比较了各种电产生的物理效应后得出结论：“电的所有这些形式，与得到它们的来源无关，在其本质上是完全相同的。”1834年，法拉第研究了电与化学的关系，得出了电解定律，即电解所析出的物质的质量与溶液的电量成正比，与析出物的化学当量，亦即与原于价除以原子量的数值成正比。他已将化学亲和力，即各种原子之间相互结合的吸引力，理解为参与化学反应的物质粒子的电吸引力。他说：“我们相信物质的原子被以某种方式赋予了电力或者与电力相关联，我们把大多数物质的明显属性归之于物质的原子，其中就有它们相互之间的化学亲和力。”他又说：“化学亲和力和电力是同种力。他反对用接触理论说明电池中电的来源的流行观念，认为接触理论实际上是种无中生有的能和力的创生说，是和我们已知的各种形式的自然力之间可以互相转换但决不能凭空产生的事实相矛盾的。他说：“电池的电本身仅仅是真实的化学作用或它的原动力的一种发挥形式，或展现方式，或存在方式，因此我早已说过我赞同那些人的观点，即相信电的供应是来自化学能。”1845年，法拉第发现了光的振动面在强磁场中的旋转。这表示光学现象与磁学现象间存在内在的联系。当他用束偏振光顺着磁力线方向透过置于强电磁铁的两个磁极之间的“重玻璃”时，利用尼科耳棱镜，他发现光的偏振面发生了一定角度的偏转，磁力越强，偏转角越大。这就是法拉第的磁致旋光效应。这个发现载于他的电学的实验研究第19节。法拉第兴奋地说：“我确信，光与电和磁的关系是从这里开始被发现的。”“这件事更有力地证明，一切自然力都是可以互相转化的，有着共同的起源。”我们知道，这种效应实际上是磁场使位于其中的物质受到影响，间接地使光的振面发生旋转，并非磁场对光的直接作用。法拉第还考虑过“在引力和电力之间可能的联系”。他写道：“有一个古老而不可改变的信念，即自然界的一切力都彼此有关，有共同的起源，或者是同一基本力的不同表现形式。这种信念常常使我想到在实验上证明重力和电力之间联系的可能性。”1849年，他在日记上写道：“重力这种力与电力、磁力和其它力的实验关系一定能够找出来，从而通过相互作用和等价的效应来确定这种关系。考虑了一下如何用事实和试验着手解决这个问题。”要把这些伟大猜测变成科学事实，还需要经历一个漫长而艰难的路程。这远远不是法拉第所能完成的。他作为先驱者尽了自己最大的努力。1859年，他已是68岁的老人，还步履蹒跚地爬到泰晤士河畔滑铁卢大桥附近的高塔上去做实验，观察是否会因重力的变化而产生电荷的变化，结果失败了。他在日记上写道：“现在我的实验就到此为止，结果是否定的。但它们并没有动摇我坚强的信念，即重力和电力之间一定是有关系的。”今天看来，他把问题想得太简单直观了，但他坚信自然力的统一的思想，仍然是非常可贵的。值得指出的是，相信自然界的和谐统一，这也是法拉第同时代许多科学家共同的信念。他们中也有不少人在这种信念影响下从事研究，终于在科学上有所发现。但他们往往是浅尝辄止，缺少穷追到底的气概，或是择一而终，钻进个课题便很少再考虑其它方面的问题。而法拉第却不同，他比同时代的科学家站得更高，看得更远，认识得更深刻，处理的问题更广泛，正像他的传记作家克劳塞(Growther)所形容的那样：“他从像庇斯伽山那样的高处，下眺自然界中还没有为人征服的方面，拿出预言家的眼光，画出应该遵循的途径。他使后继的人得到一种线索，可以领导他们在那荆棘丛生的知识道路中安全渡过。”