1、第3章 電磁學(xué)和光學(xué)發(fā)展史,粒子 場,第二次工業(yè)革命,電、磁、光學(xué)現(xiàn)象的大統(tǒng)一,3.1 早期人類的電、磁知識,古希臘 泰勒斯 磁石吸鐵；摩擦后的琥珀吸引輕小物體 古中國 管子 “上有慈石者，下有銅金” 古中國（約戰(zhàn)國時期） 司南 韓非子.有度：“立司南，以端朝夕” 鬼谷子.謀篇：“鄭子取玉，必載司南，為其不惑也” 北宋時期 指南魚、指南針 用于航海,西漢末年 “玳瑁吸偌” 吳國 虞翻：琥珀不取腐芥；都邛：“吳綾出火” 沈括 夢溪筆談 導(dǎo)體絕緣體的描述 “內(nèi)侍李舜家為爆雷所震，銀悉熔流于地，漆器曾不燒灼。”（明朝末年，莊綽：雷火所及，金石銷熔，而漆器不壞。） 地磁傾角 “常微偏東，不全南也。”

2、避雷裝置：廟宇“雷公柱” 天壇,早期對電磁現(xiàn)象的理解,泰勒斯 “萬物有靈” 盧克萊修 磁石中發(fā)射不可見的細小粒子，進入鐵中，引起兩者的吸引作用 西漢劉安 淮南子 “陰陽相薄為雷，激揚為電” 陳顯微（宋） “磁石吸鐵，皆陰陽相感，阻礙相通之理”,威廉 吉爾伯特 （1544-1603）,西方電磁學(xué)系統(tǒng)研究的第一人 論磁、磁體和地球作為一個巨大的磁體 1600年 磁球?qū)嶒?地球和磁球?qū)Υ裴樧饔孟嗤?第一個驗電器 電性：摩擦后的琥珀、金剛石、松脂等 指出電和磁的不同， 認為是無關(guān)的現(xiàn)象,3.2 靜電學(xué)的建立,產(chǎn)生和保持穩(wěn)定的靜電 1660年摩擦起電機（德國 奧托馮蓋里克 釀酒商、工程師 大硫磺球 、布

3、帛摸撫 ） 認識到電力和地球引力不同,1745年 萊頓瓶（克萊斯特、馬森布洛克） 貯存靜電,靜電作用的經(jīng)驗規(guī)律,1720年 格雷 電的傳導(dǎo)；導(dǎo)體的靜電感應(yīng) 1733年 杜菲 區(qū)分松脂電（負電）和玻璃電（正電） 同性相斥、異性相吸 富蘭克林 天電和地電的同一性，避雷針 電的單流體假說 電荷守恒原理,庫侖定律的建立,平方反比關(guān)系的猜測 愛皮努斯（德國） 1759年 假設(shè)電荷間的斥力或引力隨距離增大而減小 D. 伯努利 1760年 富蘭克林空罐實驗 1755年 普利斯特利（ 1767年）猜想平方反比力 （類比引力）,庫侖定律的建立,平方反比關(guān)系的驗證 羅比遜 1769年 轉(zhuǎn)臂試驗 （斥力平方反比）

4、卡文迪什 1773年 空心金屬球試驗 示零法 庫侖 1785年 電扭秤實驗 靜電斥力、引力， 以及磁力均符合平方反比定律,一條蛙腿引發(fā)的論戰(zhàn),華爾士 1772 電魚的放電實驗 伽伐尼 1780年 蛙腿實驗 雷雨天和晴天看到同樣現(xiàn)象 兩種不同金屬或同一種金屬做成的桿子給出同樣的效應(yīng) 結(jié)論：金屬桿僅起了導(dǎo)體的作用，蛙腿神經(jīng)中有電源 伽伐尼：“生物電！” 1791,肌肉運動中的電力,3.3 穩(wěn)恒電流的產(chǎn)生及其性質(zhì),伏打 1794年 金屬接觸電： 沒有蛙腿，兩種金屬接觸也會有電產(chǎn)生；同種金屬組成的桿的效應(yīng)源于桿不同部分狀態(tài)的差異（溫差電） 金屬帶電順序：鋅鉛錫鐵銅銀金石墨 接觸時，前面的傾向于帶正電

5、伏打電堆和電池 1800年 第一個電池,奧斯特效應(yīng),電和磁有無關(guān)聯(lián)？ 1731年 雷閃過后，一箱刀叉帶上磁性 1751年，富蘭克林：萊頓瓶放電使縫紉針磁化 1774年，德國巴伐利亞電學(xué)研究所： “電力和磁力是否存在實際的和物理的相似性？”,多數(shù)科學(xué)家（如庫侖、安培、畢奧） 仍認為電和磁無關(guān)。,奧斯特：自然力是統(tǒng)一的，且可以相互轉(zhuǎn)化,奧斯特效應(yīng)：電磁學(xué)的起點,奧斯特（丹麥，1777-1851） 電流的磁效應(yīng) 1820年，電流驅(qū)動磁針轉(zhuǎn)動，電流的磁效應(yīng)沿著圍繞導(dǎo)線的螺旋方向。 （安培右手法則） 畢奧-薩伐爾定律 電動機的工作基礎(chǔ)！ （亨利 1831年）,安培定律和分子電流假說,安培定律 1827年

6、 兩個電流元之間的作用力為 安培：電流元間作用力是電磁現(xiàn)象的核心 不僅宏觀電流直接產(chǎn)生了磁場，磁鐵的磁場也是由內(nèi)部的“分子電流”產(chǎn)生的。 （地球磁場；帶電粒子的角動量）,歐姆定律 1826年,和傅里葉熱傳導(dǎo)規(guī)律類比： 溫度差“電張力” 引入電動勢、電流強度、電阻刻劃實驗 電路理論的基礎(chǔ),3.3 電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn),電流生磁 VS 磁場生電,科拉頓 1825年 將試驗線圈和電流計放在兩個房間,安培 1822年 論證分子電流的銅環(huán)實驗（其實是線圈通斷電瞬間的宏觀感應(yīng)電流）,阿拉果 1822年 磁針擺動受到附近金屬的阻尼,亨利 1829年 自感現(xiàn)象；1830年 電磁感應(yīng)現(xiàn)象,法拉第的工作,堅強的信念：

7、篤信自然力的統(tǒng)一 兩個對比 從1824年到1828年，分析磁對電的作用，尋找導(dǎo)體中的感應(yīng)電流，均失敗 1831年8月29日：突破：瞬變,1831年11月，報告英國皇家學(xué)會：產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況可以分為五類：1變化中的電流；2變化中的磁場；3運動的穩(wěn)恒電流；4運動中的磁鐵；5運動中的導(dǎo)線。 楞茨（Lenz）1833年 總結(jié)出楞茨定則，說明感應(yīng)電流的方向 1845年，紐曼（F.E.Neumann，17981895）給出電磁感應(yīng)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)表述，即感應(yīng)電動勢為：,（矢勢）A的線積分等價于磁場的面積分,3.4 電磁場理論的建立,電極與磁極周圍充滿力線，縱向力圖收縮，橫向力圖擴張； 電介質(zhì)對電力作用的影響，

8、表明電力不可能是超距作用 力線本身是一種物質(zhì)，在真空中也可以存在：場，物質(zhì)的空間分布,一. 法拉第力線思想,從類比中借鑒方法和思路：處理新現(xiàn)象的第一步 目的：將力線思想翻譯成數(shù)學(xué)公式，利用熱傳導(dǎo)理論和彈性理論。 （傅立葉 1824年熱的分析理論：熱傳導(dǎo)方程） W.湯姆孫 1842年論熱在均勻固體中的均勻運動及其與電的數(shù)學(xué)理論的聯(lián)系 等勢面等溫面；電荷熱源；把力線思想與拉普拉斯、泊松等人的靜電理論結(jié)合起來 1847年論電力、磁力和伽伐尼力的力學(xué)特征 不可壓縮性流體的流線連續(xù)性，類比電磁現(xiàn)象和流體力學(xué),二. W. 湯姆孫的類比研究,三. 麥克斯韋電磁場理論,Maxwell的三部曲,介紹：比W.湯姆

9、孫小7歲（都獲得過數(shù)學(xué)競賽獎） ；15歲發(fā)表幾何學(xué)論文，注意斯托克斯的工作；閱讀電學(xué)實驗研究 1、1856年論法拉第的力線 力線與流線，不中斷；兩類概念：一類如力，E、 H, 另類如流量，D、B，流量服從連續(xù)性方程，可以沿曲面積分，而力則應(yīng)沿曲線積分。,“在這6個定律中， 我要表達的思想， 我相信是 電學(xué)實驗研究 中所提示的思想模 式的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)?！?麥克斯韋：關(guān)于類比方法 “為了采用某種物理理論而獲得物理思想，我們應(yīng)當(dāng)了解物理相似性的存在。所謂物理相似性，我指的是在一門科學(xué)的定律和另一門科學(xué)的定律之間的局部類似。利用這種局部類似可以用其中之一說明其中之二?！?2、五年以后，論物理力線 分四個部

10、分，載于1861年和1862年的哲學(xué)雜志 “目的是研究介質(zhì)中的應(yīng)力和運動的某些狀態(tài)的力學(xué)效果，并將它們與觀察到的電磁現(xiàn)象加以比較，從而為了解力線的實質(zhì)作準備?！?兩件事使麥克斯韋重新考慮他的研究方法： （1）伯努利的流體力學(xué)預(yù)言流線越密的地方壓力越小，流速越快；根據(jù)法拉第的力線思想，力線有縱向收縮、橫向擴張的趨勢，力線越密，應(yīng)力越大。 （2）電的運動和磁的運動也無法簡單類比。 電的運動是平移運動，磁的運動更象是介質(zhì)中分子的旋轉(zhuǎn)運動。 借用蘭金（W.J. M.Rankine）的“分子渦流”假設(shè)： 假設(shè)在磁場作用下的介質(zhì)中，有規(guī)則地排列著許多分子渦旋，繞磁力線旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角速度與磁場強度成正比，渦旋

11、物質(zhì)的密度正比于介質(zhì)的磁導(dǎo)率。,麥克斯韋分子渦旋模型,分子渦旋具有彈性，粒子受 電力作用產(chǎn)生位移時，使渦 旋產(chǎn)生切向形變，磁力的轉(zhuǎn) 動能發(fā)生變化；而電力表現(xiàn) 為位移回復(fù)的彈性位能。,“在一個受到感應(yīng)的電介質(zhì)中， 每個分子中的電都發(fā)生這樣的 位移：一端為正電，另一端為 負電，而這些電仍然完全同分 子聯(lián)系在一起，不會從一個分 子轉(zhuǎn)移到另一個分子。“這種作用對于整個電介質(zhì)是沿 某一方面產(chǎn)生了總的位移。這 一位移并不形成電流。 但當(dāng)電流開始時，和當(dāng)位移時 增時減因而形成不斷變化時， 就會根據(jù)位移的增加或減少， 形成沿正方向或負方向的電流?！?位移電流的假設(shè) 麥克斯韋的理論預(yù)言光是起源于電磁現(xiàn)象的橫波。

12、既然電介質(zhì)中的粒子位移可以看成是電流，就可以把電流與磁力線的相互作用推廣到絕緣體 柯爾勞胥（R.H.A. Kohlrausch）和 W.韋伯 1857年 E=310740千米/秒；斐索(Fizeau)1849年用齒輪法測到的光速c=315000千米/秒。 麥克斯韋：“我們難以排除如下的推論：光是由引起電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的同一介質(zhì)中的橫波組成的?！?3、電磁場的動力學(xué)理論 1865年 已放棄分子渦旋的假設(shè)，但仍堅持近距作用，假設(shè)電磁作用是由物體周圍介質(zhì)引起的。 “我提出的理論可以稱為電磁場理論，因為它必須涉及電體和磁體附近的空間，它也可以稱為動力理論，因為它假設(shè)在這一空間存在著運動的物質(zhì)，觀測到的電

13、磁現(xiàn)象正是這一運動物質(zhì)引起的?！?“電磁場是包含和圍繞著處于電或磁狀態(tài)的物體的那部分空間，它可能充有任何一種物質(zhì)”，“介質(zhì)可以接收和貯存兩類能量，即由于各部分運動的實際能（動能）和介質(zhì)因彈性從位移恢復(fù)時要作功的位能?！?關(guān)于電磁感應(yīng)：再次運用類比方法來說明電流的電磁動量（“電應(yīng)力狀態(tài)”，矢勢A）。 提出了電磁場的普遍方程組，共20個方程，含20個變量 。 赫茲 簡化麥克斯韋方程組,四. 電磁波的實驗證實,1853年，W. 湯姆孫 在有線圈的回路中萊頓瓶的放電是振蕩式的,1883年，費茲杰惹 可通過電流的周期性變化產(chǎn)生電磁波,1888年，赫茲 論電力的輻射 產(chǎn)生電磁波，全面證實電磁波和光波是同一

14、種物質(zhì),1832年，法拉第 預(yù)見到電磁波的存在,電磁波種類及名稱,五. 洛倫茲的電子論,電磁作用的微觀基礎(chǔ)？,亥姆霍茲(1870)：媒質(zhì)的極化；“電粒子”觀念,洛倫茲 運動電荷受到的電磁場的作用力：洛倫茲力 電磁場源于物質(zhì)中電子的運動 物質(zhì)的電磁性質(zhì)由其中的帶電微粒（電子）決定 電磁波與電子的相互作用決定物質(zhì)的宏觀電磁學(xué)性質(zhì),經(jīng)典光學(xué)發(fā)展史,墨翟(468BC-376BC) 墨經(jīng) (388BC) 投影，小孔成像，平面鏡，凹面鏡，凸面鏡，焦距,歐幾里得(330BC-260BC) 反射光學(xué) 光的反射,阿勒哈增(965-1038) 光學(xué)全書,“光陰”的故事： 光具有在同一媒質(zhì)中 直線傳播的特性 反射

15、反射定律 希臘柏拉圖學(xué)派 反射光學(xué) 入射光線、法線和反射光線共面；入射和反射光線位于法線兩側(cè)；入射角等于發(fā)射角,3.5 幾何光學(xué)的建立,折射定律,托勒密 折射角和入射角成正比 開普勒 折光學(xué) 1611年 測量入射角和折射角之比； 發(fā)現(xiàn)全反射（光路可逆性） 斯涅爾 （荷蘭） 1621年 光從一種媒質(zhì)進入另一種媒質(zhì)發(fā)生折射，入射角的正弦和折射角的正弦的比值為常數(shù),折射定律的兩個理論解釋,笛卡爾 方法論 1637年 將光看做小球樣的粒子；需假定光速在光密介質(zhì)中大于在光疏介質(zhì)中 費馬 1661年 最小光程（最短時間）原理 光在任意媒質(zhì)中的兩點間沿所需時間最短的路徑進行傳播 所有幾何光學(xué)的基礎(chǔ) 解釋折射

16、定律要求光的速度在光密介質(zhì)中小于在光疏介質(zhì)中,絢麗多彩的世界,3.6 顏色的本質(zhì),亞里士多德：不同的顏色源于光受到不同的阻滯 西奧多里克 13世紀：人造彩虹 笛卡爾 三棱鏡實驗：彩色的產(chǎn)生并非由于媒質(zhì)阻滯的不同 馬爾西 1648年 光的色散實驗：光的不同顏色源于受物質(zhì)的不同作用,牛頓的色散實驗 光學(xué)1704年,擴大棱鏡到屏的距離，得到充分展開的光譜 不同顏色的光具有不同的折射性質(zhì) 物體的顏色源于物體對該種光的反射大于對其它光的反射 牛頓的“判決性試驗”： 從太陽光（白光）中可分出不同顏色的光，其折射性質(zhì)和從白光的色散中得來的一致,3.7 光的本性之爭,笛卡爾 “以太”假設(shè)（物體間的作用力通過充

17、滿整個空間的以太傳遞）：光是一種壓力，在完全彈性、充滿一切空間的以太中傳遞 胡克 1667年 顯微術(shù) 薄膜干涉 光是一種快速脈沖 “發(fā)光體的每個脈沖形成一個球面球面的所有部分與射線以直角相交”,一、光的波動說,惠更斯原理,惠更斯 相交光線的傳播彼此不受影響：波！ 光是發(fā)光體的粒子的振動在以太中傳播的過程“以太波” 以太波的傳播是振動的傳播：以太縱波（疏密波） 惠更斯原理 反射、折射、雙折射 不能解釋干涉、衍射、偏振等,笛卡爾：用微粒圖像解釋光的折射現(xiàn)象 牛頓：如果光是脈沖，為何總沿直線傳播？ 光是從光源飛出的微粒流，在真空或者媒質(zhì)中做慣性運動 微粒說可解釋反射、折射以及光的直進性等 可用微粒和

18、障礙物或以太的作用解釋干涉、衍射,二、光的微粒說,托馬斯楊 （1773-1829） 1801年 用波動說解釋薄膜干涉 提出干涉原理 強調(diào)光的相干性（同一光源） 1803年 雙縫干涉實驗 波的典型特征 1808年 馬呂斯發(fā)現(xiàn)偏振現(xiàn)象 與光的縱波圖像矛盾,三、波動說的復(fù)興和物理光學(xué)的建立,菲涅爾（1788-1826） 1816年，和阿拉果 偏振方向垂直的兩條光線不發(fā)生干涉 （1817年，楊：振動是橫向的?。?1818年 法國科學(xué)院懸獎?wù)魑?，鼓勵用微粒說解釋衍射現(xiàn)象（畢奧、拉普拉斯、泊松） 1818年 從光是橫波出發(fā)，將惠更斯原理定量化，并引入干涉原理，成功地解釋了光的干涉和衍射 1819年 光是一

19、種橫向振動,泊松：圓盤衍射的影子中心會出現(xiàn)亮點 阿拉果用實驗證實 傅科，1850年 水中的光速比空氣中的光速慢！ 波動說的最后勝利！,3.8 光學(xué)的進一步發(fā)展,早期研究 牛頓色散實驗：太陽光譜（光波長分布）；可見光區(qū)；用圓孔做光闌 赫謝爾，1800年：太陽光譜的熱效應(yīng)，紅端以外區(qū)域具有熱效應(yīng)紅外線 里特爾，1801年：紫外線，能量比可見光高 沃拉斯頓，1802年：太陽光譜中存在黑線 托馬斯楊，1803年：用雙縫干涉可以測定光的波長,一、光譜學(xué),光譜分析的發(fā)展 夫瑯和費，1814-1815：標定太陽光譜黑線位置夫瑯和費線；衍射光柵，測定波長 傅科，1848年：鈉金屬火焰既發(fā)射也可能吸收D線 基爾霍夫&本生，185