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●備課資料 2019-2020年高二物理 （人教大綱版）第二冊 第十六章 電磁感應 一、電磁感應現(xiàn)象(備課資料) 英國的法拉第（M.Faraday 公元1791~1867年）是十九世紀電磁研究領域中最偉大的實驗家. 法拉第是一個鐵匠的兒子.按他自己的話說：“我所受的教育是最平常的，比在普通的學校中基本的讀、寫、算多不了多少，我課外的時間還消耗在家里和街道上.”他13歲開始在離家不遠的書店和裝訂廠當童工，成為一名裝訂學徒工.法拉第十分喜愛閱讀經(jīng)他手裝訂的科學書籍.工余之后，法拉第還做些簡單的化學實驗，每周花上幾個便士買些簡單用品.19歲時，他在晚上還常抽空去聽關于自然哲學的講座，法拉第的哥哥對他很支持，為他支付入場費用.21歲時，法拉第幸運地聽了化學大師戴維（H.Davy，公元1778~1829）在皇家研究院的四次演講.這時，法拉第已經(jīng)成為工廠的正式裝訂工，但法拉第渴望到科學研究部門里工作.在他想象中，科學部門里的學者一定是和藹可親心胸寬廣的人.這個想法促使法拉第邁出了人生道路上關鍵的一步.他大膽地給戴維寫了封信，表示了自己想到戴維門下工作的意愿，并將聽戴維的演講所作的工整的筆記也寄了去.戴維收到法拉第的信和筆記本后，受到感動，給法拉第復信，接受了他的請求.1813年，法拉第22歲，在英國皇家研究院當了戴維的助手.那年秋天，戴維外出旅行，法拉第作為戴維夫婦的秘書隨同前往.他們游歷了法國、意大利、瑞士等國，1815年法拉第回到皇家研究院.這次長達兩年的旅游經(jīng)歷，使法拉第長了不少見識.回國后，法拉第開始了自己的獨創(chuàng)性的研究工作.1821年，30歲的法拉第才結(jié)婚.這期間，法拉第已經(jīng)在化學、光學和聲學諸方面取得了很多研究成果，大多數(shù)科學家決定推舉他為皇家學會會員，而妒忌心卻使學會主席戴維反對他的學生當選，然而主席職位的權(quán)威未能壓住法拉第，1824年法拉第被選為皇家學會會員.法拉第并不計較恩師的忌妒心，他總是懷著敬慕的心情稱頌戴維的天才，講到在他早期的科學生涯中，恩師對他的啟迪和教誨.1825年，法拉第任皇家研究院院長. 19世紀20年代，歐洲的科學雜志已有不少，奧斯特的發(fā)現(xiàn)及其他有關電、磁方面的實驗及理論研究成果傳播到了歐洲各國.面對他國的科學成就，英國著名雜志《哲學年鑒》的主編不甘落后，于1821年特意邀請化學家戴維撰寫文章，綜述奧斯特發(fā)現(xiàn)以來一年中電磁學實驗與理論的進展概況.戴維把此事交給了法拉第.在收集資料的過程中，激起法拉第對電磁現(xiàn)象的極大熱情，這樣，法拉第就從其他研究課題逐漸轉(zhuǎn)向電磁學方面. 1821年9月3日，法拉第重復了奧斯特的實驗，他將小磁針放在載流導線周圍的不同地方，發(fā)現(xiàn)小磁針的磁極受到電流作用后，有沿著環(huán)繞導線圓周旋轉(zhuǎn)的傾向，這比奧斯特的實驗前進了一步.據(jù)此法拉第還做出了一種磁旋轉(zhuǎn)器. 法拉第仔細分析了電流產(chǎn)生磁效應的許多現(xiàn)象，他認為電流與磁的作用應有幾個方面，那就是電流對磁，電流對電流，磁對電流等.在他之前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了電流產(chǎn)生磁的作用，電流對電流的作用.那么反過來，磁對電流有什么作用呢？法拉第認為既然磁鐵可以使近旁的鐵塊帶磁，靜電荷可使近旁的導體感應出電荷，那么電流也應當可以在近旁線圈中感應出電流.1822年法拉第在日記中寫下了他的光輝思想：“磁能轉(zhuǎn)化成電.”從這一年起，法拉第對此進行了系統(tǒng)的探索.開始，他簡單地認為用強磁鐵靠近導線，導線中就會產(chǎn)生穩(wěn)定的電流，或者在一根導線里通上電流，在附近的導線中也會產(chǎn)生穩(wěn)定的電流.按照這條思路，他進行了下述實驗. 1825年，法拉第將一根導線放在另一根導線附近，前一根導線用一個電流計連接起來成為一個閉合回路，后面一個導線中通電流，觀測閉合回路，結(jié)果沒有任何電流顯示. 1828年，法拉第做了另一個實驗.用懸絲將絕緣棒中部拴住，使絕緣棒水平無扭轉(zhuǎn)地懸掛著，棒的一端固定了一個銅質(zhì)閉合線圈，另一端固定一個小的重物配重，將一塊條形強磁鐵的一極放入線圈內(nèi).法拉第認為，如果磁鐵對線圈有作用，產(chǎn)生感生電流，這時若再將第二塊磁鐵靠近線圈，則線圈便會在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動.但任何轉(zhuǎn)動也未觀察到.法拉第又用銅質(zhì)開環(huán)（銅環(huán)開個小口），又換鉑、銀材料做的閉環(huán)和開環(huán)重復做這一實驗，仍然沒有觀察到感生電流的任何跡象. 法拉第做了近十年的“磁生電”實驗.在工作日記中寫下了大量的毫無結(jié)果的失敗記錄，厚厚的日記冊正是法拉第百折不回、堅持奮斗的見證.他的日記也記載了科學預見的光輝思想.法拉第堅持寫工作日記幾十年，直到生命的終結(jié)，這在科學史上也是少見的. 1831年8月，法拉第再一次回到“磁生電”這一重大課題上來.他以往的失敗，都在于只研究穩(wěn)定狀態(tài)效應，思想上還沒有暫態(tài)（持續(xù)時間很短）效應的概念，更沒有去創(chuàng)造條件展現(xiàn)暫態(tài)效應.這次法拉第在一只軟鐵環(huán)上繞以兩組線圈A、B，線圈B與一電流計連接，當線圈A與電池組（由10只電池組成）相連的瞬間，電流計的指針偏轉(zhuǎn)了一下，然后又回到原來位置.當線圈A與電池組斷開時，指針又偏轉(zhuǎn)了一下再回到原來指零位置.法拉第并沒有立刻領悟到這一現(xiàn)象的重要意義，只是開始意識到這是一種暫態(tài)效應. 同年9月24日，法拉第將兩根條形磁鐵支成三角形，即一端的N極和S極拼在一起成三角形頂角，下端S極和N極分開，其間安放繞在鐵質(zhì)圓柱體上的螺旋線圈，線圈與電流計相連.他觀察到，每當線圈跟下端的N極或S極接觸一下，或脫離一下，電流計指針就偏轉(zhuǎn)一下.這時法拉第覺察到，這效應和他8月份做的實驗所顯示的效應相似，他立即想到這就是尋找了將近十年的“磁生電”現(xiàn)象. 10月1日，法拉第滿懷信心地再次實驗.為使效應更加明顯，他加大電流，加多繞組線圈.法拉第把長約186 m用紗布包起來的銅導線繞在很寬的木線筒上，再在繞組線圈上絕緣地繞上同樣長度的紗包銅線，將一個繞組和電流計連接，另一個繞組和100對金屬極組成的電池組連接.他發(fā)現(xiàn)，當電鍵K接通和斷開與電池的連接時，和另一繞組相連的電流計的指針明顯擺動.法拉第還觀察到，接通和斷開電鍵K，電流計指針做相反的擺動，但最后都回到原來指零位置.至此，法拉第對磁產(chǎn)生電流的現(xiàn)象已確信無疑. 10月7日，法拉第采用另一種方式進行實驗：直接讓磁棒運動看能不能產(chǎn)生電流.仍然將一線圈與電流計相連，手持一永久磁棒迅速插入或抽出線圈，他發(fā)現(xiàn)電流計指針在插入或抽出的瞬間發(fā)生偏轉(zhuǎn)，然后回到原來指零位置.接著，法拉第做了幾十個類似的實驗，他最終認識了感生電流的暫態(tài)性質(zhì). 1831年11月24日，法拉第向英國皇家學會報告了電磁感應的第一篇具有劃時代意義的論文.論文中明確地闡述了他解決電磁感應問題的關鍵，概括了均能產(chǎn)生感應電流的幾種情況：正在變化的電流；正在變化的磁場；穩(wěn)恒電流的運動；導體在磁場中運動.他將上述現(xiàn)象命名為“電磁感應”.至此，法拉第做出了科學史上的偉大貢獻——揭示電磁感應規(guī)律. 電磁感應規(guī)律的揭示，也說明英國在電磁學研究領域里趕上和超過了法國.自牛頓以來，英國對自然科學的基本規(guī)律和基礎理論的研究一直是很重視的，有成就的科學家受到社會的普遍尊敬并享有較高的社會地位.因此，并未在學校受過系統(tǒng)教育的法拉第能在英國取得如此卓著的成就，還是符合情理的事情. 當然，在“磁生電”方面進行探索的，并不是只有法拉第一個人.在俄國、法國、瑞士、美國都有人做過這方面的工作. 上一章提到，對奧斯特實驗反應最快的是法國的安培.他在十九世紀二十年代做了許多實驗，也曾朦朧地意識到磁會產(chǎn)生電的效應，但對此安培的信心并不是十分堅定的.他的精力集中在磁性起源的分子電流說，以及他多年從事的試圖建立一個全面的電動力學理論上.盡管安培對電磁學做出了許多貢獻，但在“磁生電”方面，他一直困于穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，沒有考慮暫態(tài)效應.和法拉第的早期工作一樣，這些實驗均未成功. 安培探索“磁生電”的一個有代表性的實驗是：1821年，他用未扭轉(zhuǎn)的懸絲，把一個閉合銅質(zhì)圓線圈掛起來，并使它位于另一個稍大的銅質(zhì)多匝絕緣圓線圈的內(nèi)部，稍大的圓線圈固定在一個絕緣支架上.安培讓兩線圈處于同一豎直平面內(nèi).固定線圈通以大電流，安培認為懸掛的線圈自然就會產(chǎn)生某種較弱的電流.這樣，懸掛線圈就相當于一塊磁鐵（奧斯特的電流產(chǎn)生磁的效應），只要用另外一塊強磁鐵靠近它，懸掛線圈就會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，但是安培得到的是否定結(jié)果，他把實驗的失敗歸之于實驗裝置的靈敏度不高，卻沒有從暫態(tài)效應方面去考慮.前面說到的1828年法拉第的實驗工作，實際上就是重復了安培做的這個代表性實驗. 僅在奧斯特宣布他的實驗發(fā)現(xiàn)之后的三個月，法國物理學家菲涅耳就向法國科學院報告過，他將磁鐵放入螺旋線圈內(nèi)，使線圈中產(chǎn)生的電流把水分解了，他宣稱已成功地將磁轉(zhuǎn)化為電，但經(jīng)別人重復實驗后，菲涅耳的結(jié)果并不真實.但菲涅耳的實驗思想曾使安培、科拉頓等人受到很大啟發(fā). 1822年初，年輕的瑞士物理學家德拉里夫（A.dela Rive,公元1801~1873）也曾利用日內(nèi)瓦的強大得多的磁鐵，幫助特地從法國去日內(nèi)瓦的安培，重復進行了1821年安培在法國做的“磁生電”實驗. 關于這次合作進行的實驗，安培在1822年下半年曾寫過一份報告給法國科學院.安培在報告中宣稱，似乎觀察到“磁生電”：當固定線圈中有電流通過時，懸掛線圈中就有感應電流，大磁鐵對懸掛線圈的作用力使懸掛線圈偏轉(zhuǎn)，最后這作用力被懸絲的扭力所平衡.當固定線圈中的電流斷開后，這一扭力使懸掛線圈回到它的原始位置. 按照這種解釋，“磁生電”是在穩(wěn)定狀態(tài)下產(chǎn)生并一直存在著的，這顯然是不可能的，即便安培在日內(nèi)瓦的實驗中觀察到懸掛線圈曾有過偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生，但他并沒有抓住“暫態(tài)”這一關鍵，真理從他手中溜走了. 有趣的是，德拉里夫的助手科拉頓（J.D.Colladon，公元1802~1893）幾乎就要得到真理，遺憾的是差了一點而未能得到.科拉頓對早先菲涅耳的實驗很感興趣，企圖把一塊磁鐵放入螺旋線圈中，在運動中使線圈產(chǎn)生感生電流.科拉頓和菲涅耳不同，不是用分解水的方法觀測電流（這是觀測不到的），而是正確地用了一只靈敏電流計.為了排除移動磁鐵時操作動作對電流計產(chǎn)生不相干的影響，科拉頓將這只電流計放到了另一間實驗室里，用長導線將電流計和螺旋線圈連接起來.可惜的是，沒有別人幫助，科拉頓獨自一個人從這間房跑到那間房去觀察電流計偏轉(zhuǎn)，當然他得不到任何結(jié)果.因為移動磁鐵時電流計指針擺動他沒有看到，等到他走近電流計時，暫態(tài)效應已經(jīng)消失，指針早已回到了指零位置. 美國物理學家亨利（J.Henry，公元1797~1878），在不知道安培和法拉第等人的工作的情況下，對電磁感應現(xiàn)象做出了獨自的貢獻.1827年他用紗包銅線在一鐵芯上繞了兩層，然后在銅線中通電，發(fā)現(xiàn)僅重3 kg的鐵芯竟然吸起了300公斤重的物體，亨利以此為開端，終于發(fā)現(xiàn)了自感現(xiàn)象.亨利把實驗結(jié)果總結(jié)在《螺旋狀長導線內(nèi)的電氣自感》一文中，后人為了紀念亨利，以他的名字定義了自感單位.據(jù)說，亨利甚至在法拉第前發(fā)現(xiàn)了電磁感應規(guī)律，但他并沒有公開發(fā)表這個結(jié)果. 1832年，在俄國工作的物理學家愣次（H.F.E.Lenz，公元1804~1865），知道了法拉第研究“磁生電”取得了成功，很受鼓舞，也開始進行一系列電磁實驗.1833年愣次把他的工作總結(jié)在《論動電感應引起的電流的方向》一文中.文中指出感應電流的方向是這樣確定的：它所產(chǎn)生的磁場方向與引起感應的原磁場的變化方向相反.這是充實、完善電磁感應規(guī)律所做的一大貢獻.這就是后人稱謂的楞次定律. 愣次還和焦耳各自獨立地對確定電流熱效應的規(guī)律做出了貢獻，這就是有名的焦耳－愣次定律：流過穩(wěn)定電流的導體所放出的熱量，與電流強度的平方、導體的電阻、通電時間這三項乘積成正比. 以上事實說明，揭示重大物理現(xiàn)象的規(guī)律，不能看做是個別天才的“靈感”所獲，而是人類認識發(fā)展的歷史產(chǎn)物，是人類社會生產(chǎn)力和科學研究水平發(fā)展到一定階段的必然結(jié)果.當然，杰出的科學家所起的帶頭和關鍵的作用，也是不能忽視的.拿電磁感應規(guī)律來說，在法拉第工作的前后或同時，都有不少科學工作者作了大量的研究，也取得了不少成果.但就其規(guī)模、持續(xù)時間、對現(xiàn)象本質(zhì)的認識及所取得的成果而言，都不及法拉第.從法拉第同代人安培的態(tài)度變化也能說明這個問題.1831年底，當安培獲悉法拉第的成果但尚未詳細了解成果的細節(jié)內(nèi)容時，他就急切地、不慎重地發(fā)表了一篇論文，企圖用他的所謂“電磁感應”來解釋他在1821年~1822年的實驗.安培的言下之意，在法拉第之前，他已經(jīng)早就認識了電磁感應.其實，他的這篇急切之作并不比1822年寫給法國科學院的報告有絲毫進步，照舊沒有把握住感生電流是“瞬態(tài)效應”這個現(xiàn)象的本質(zhì).一時間，在兩人長期友好的交往中產(chǎn)生了指責和誤會.當激動平靜下來，安培從頭至尾認真研究了法拉第成果的細節(jié)內(nèi)容，這才恍然大悟.他隨即寫信給法拉第，承認自己并沒有發(fā)現(xiàn)電磁感應，以及失敗的本質(zhì)原因：電磁感應是瞬態(tài)效應. 由于電磁感應規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，后來人們就制造出發(fā)電機、電動機、變壓器等電機電器設備，使交流電的利用變?yōu)楝F(xiàn)實，逐漸開創(chuàng)了人類社會的電氣化時代. 不論是當時還是后人，把發(fā)現(xiàn)電磁感應定律的主要功績歸功于法拉第，這是完全符合歷史事實的.更為重要的是，法拉第比別人具有更深邃的物理直覺洞察力.他提出了“場”的概念，從本質(zhì)上把電磁學的研究推進了一大步，為建立系統(tǒng)、完整的電磁場理論打開了大門.