科技发展史结课论文--麦克斯韦.doc

科技发展史结课论文论文题目：破解电磁场奥秘的天才麦克斯韦 学 院：水资源与环境工程学院 专 业: 环 境 工 程 姓 名: 吴 鹏 班 级： 10203202 学 号： 1020320221 论文摘要：在科学技术发展的长河中，出现了一代又一代的伟大天才,他们的智慧，高远的见解，长远的目光成就了我们今天科学之卓越。麦克斯韦就是其中的一位，这位被称为“破解电磁场奥秘的天才”,对电磁的科技发展做出的伟大的贡献！关键词:科技发展 麦克斯韦 电磁场 贡献 认识 评价正 文科学上重大理论的创立，往往是一场接力赛跑。它要靠许许多多的科学工作者前赴后继不辞劳苦的努力,才能达到成熟的境界。 19 世纪致使物理学爆发了一场革命的电磁理论,也是如此。从库仑、欧姆、奥斯特、安培到法拉第等人所做的奠基工作，直至最后理论的完成，前后经历了半个多世纪。这一理论的集大成者英国伟大的科学家麦克斯韦 。 法拉第的力线和场的概念为建立电磁理论提供了物理模型，但描绘场的力线、力管完全是一种定性的理论。德国物理学家诺依曼,于 1845 年根据安培理论，从矢势的角度推出电磁感应定律的数学形式.英国物理学家汤姆逊在 1847 年 1853 年间，提出了铁磁质内磁场强度 H 、磁感应强度 B 的定义，认为 H 是沿磁化方向的长空洞中单位磁极所受的力； B 是垂直于磁化方向割出的长狭缝内的磁场强度。此外,汤姆逊还推出了磁场的能量密度；裁流导线的磁能。由此看出， 19 世纪 50 年代到 60 年代,无论是在实验上，还是在理论上，都为麦克斯韦建立统一的电磁场理论作好了相当充分的准备。麦克斯韦的父亲是一位不随流俗的机械设计师,对麦克斯韦的一生影响很大。他思想开朗， 讲求实际，非常能于.家里的大小事情，从修缮房屋、制作工具，直到剪裁衣服，样样都能自己胜任。麦克斯韦从小勤思好问，很受父母宠爱。麦克斯韦的童年欢乐是短暂的。 母亲去世，麦克斯韦的父亲担起了抚养教育他的全部担子，家计相当艰窘。失去了母爱，麦克斯韦性情渐渐变得孤僻、内向.他最大的快乐，是形影不离作父亲的小帮手。父子相依为命，关系极为亲近。 麦克斯韦上中学,他穿着父亲亲手缝制的衣、鞋,不讲式样，为了缝制方便，皮鞋头呈方形。这一身打扮，再加上讲话带很重的乡土音，立即引起同学们的嘲笑，麦克斯韦在冷眼中度过了中学的第一阶段。到了中年级,奇迹出现了，有一次学校举行数学和诗歌比赛，麦克斯韦得了两个科目的最高奖。这使全班同学和任课老师大为惊讶。从此，麦克斯韦受到同学们的崇拜，再也没有人取笑他的服装和话音了，麦克斯成了全校拔尖的学生，获得了许多奖励. 他末满 15 岁时,即写了一篇数学论文，发表在爱丁堡皇家学会学报上，内容是讨论二次曲线的几何作图。学术刊物登载孩子的论文，这是罕见的,他父亲为此颇感自豪，同时也大大增强了麦克斯韦在学业上的进取心.他不仅是少年数学家,还是一位小诗人。麦克斯韦后来一生都没有放弃过写诗的爱好。麦克斯韦的诗多是即兴之作，取悦亲友，内容常与科学有关。 1847年秋天，16 岁的麦克斯韦从中学毕业，考进了苏格兰最高学府爱丁堡大学,专攻数学物理。三年后，为了进一步深造,他转入英才萃集的剑桥大学。在剑桥的第二年，麦克所韦就以优异的成绩考取了奖学金资格。按校方规定,得奖学金者在同一桌吃饭，麦克斯韦因此结识了一群有志有为的年轻人，并参加了他们的科学团体-“使徒社”。麦克斯韦的内向性格发生了很大的变化，成为“使徒社”里的活跃分子。这一时期，麦克斯韦专攻数学，读了大量的专著。他的学习方法，不象法拉第那样一切都循序渐进，井井有条。他读书不讲系统性，俨如一个性急的猎手，漫无边际。“使徒社里的朋友要和他讨论问题，是件困难的事情，和读书一样,麦克斯韦说起话来，常常是天马行空，前言不搭后语。他的思路过于敏捷，让人难以捕捉。一次偶然的机会，著名的数学家、剑桥大学的教授霍普金期对麦克斯韦发生了兴趣，诙谐地对他说：“小伙子，如果没有秩序，你永远成不了优秀的数学物理学家！”这以后,麦克斯韦成了霍普金斯的研究生. 在导师的指导下，麦克斯韦首先克服了杂乱无章的学习方法.导师对他的每一个选题,推导中的每一步运算都要求很严。与此同时，麦克斯韦还参加了剑桥大学的斯托克斯讲座.斯托克斯在数学和流体力学上都有建树。经这两位数学大师的指教,麦克斯韦进步很快，不出三年就掌握了当时所有先进的数学方法,成了一名年轻有为的数学家。 和法国的拉普拉斯一样，霍普金斯在英国也是主张数学和物理要结合，这对麦克斯韦产生了重要的影响。 麦克斯韦毕业后留校工作.起初，他研究的课题为光学里的色彩论.不久他读了法拉第的电学实验研究，立即被书中新颖的实验和见解所吸引.当时学术界对法拉第的学说看法不一,有不少非议。其原因是“超距作用”的传统观念影响还很深，普遍对“场”概念没有认识加上法拉第的学说缺乏理论的严谨性,他的创见都是用直现形式表达比很难为一般理论物理学家所接受，有的学者还颇有瞧不起之意。有位天文学家就公开宣称：“谁要是在精确的超距作用和模糊不堪的力线观念间有所迟疑，那简直是对牛顿的亵渎！”然而,具有远见卓识的汤姆生对法拉第很钦佩,他在自己的卓有成绩的电学研究中，多次向法拉第求教,同时汤姆生(当时是教授）对麦克斯韦以不少帮助,在汤姆生的影响下，麦克斯韦相信法拉第新说中一定包含有真理，他认真研究了法拉第的著作后。终于领悟了力线思想的宝贵价值，同时也看到了法拉第定性表述方面的弱点。这位初出茅庐的青年科学家决心用数学来弥补这一弱点。一年后， 24 岁的麦克斯韦发表了论法拉第力线，这是他的第一篇关于电磁学的论文。在此文中，麦克斯韦用数学方法，把电流周围存在力线这一特征，概括为一个矢量微分方程.由此方程，每一电流都产生一条磁的涡线.这一年（ 1855 年），恰好法拉第结束了长达 30 多年的电学研究.麦克斯韦接过这位伟大先驱手中的火炬，开始向电磁领域的纵深地段挺进。论法拉第力线一文中，麦克斯韦认为电荷间以及磁极间的力是靠场来传递的，他主攻方向是“场”.麦克斯韦把力线比作不可压缩的流体的流线，电场强度比作流速,并引入一种新的矢量函数来描述电磁场。可以说，他把法拉第的物理观念翻译成数学形式.麦克斯韦抓住了真理,就锲而不舍,而汤姆生起步早，也定到真理的边缘，却又迟疑而去。 快要取得研究上的突破时,他父亲病重，为了照料亲人。麦克斯韦到离家很近的一所学院任教，他父亲去世后学院继续挽留他，以致麦克斯韦的电磁研究推迟了四年。在这所学院任教期间，一项有学术奖的天文学课题花去了麦克斯韦整整两年的时间,这项成果以题为土星光环的论文发表于 1858 年。 在土星光环这篇论文里，麦克斯韦成功地用数学物理方法,论述了土星光环由一群离散质点构成。这项成果获得了亚当斯奖。关于土星光环的这一结论在 38 年后为一位美国天文学家所证实。在土星光环的研究中，麦克斯韦遇到有关气体力学中的一些难题，于是他的研究内容又涉及到气体力学方面。著名的气体速度分布率，即麦克斯韦速度分布率，就是这时完成的。 这两项非电磁领域里的重大成果，充分证明了麦克斯韦已具备了一个卓越数学物理学家的造诣。对他来说，物理学是探讨的课题，数学则是得心应手的工具。 1860 年，麦克斯韦偕妻调到伦敦皇家学院任教，又开始继续他的电磁学研究了。到伦敦后的一个晴朗的秋日，麦克斯韦特意去拜访了法拉第.这位实验大师年近七旬，两鬃斑白，比麦克所韦年长 40 岁。但他们一见如故，亲切地交谈起来.两人的科学方法很不相同，法拉第专于实验探索，麦克斯韦擅长理论概括，但两位科学巨匠对物质世界的看法却产生了共鸣。在对电磁现象本质规律的探索中，两人在许多方面是互相补充的。 法拉第在四年前曾注意到论法拉第力线一文，一见面他没料到论文的作者如此年轻。当麦克历韦征求他对论文的看法时，法拉第说:“我不认为自己的学说一定是真理，但你是真正理解它的人。” “先生能给我指出论文的缺点吗 ？ 麦克斯韦谦虚地问道。 “这是一篇出色的文章,”法拉第沉吟道，“但你不应停留于用数学来解释我的观点，而应该突破它!” 法拉第的话，象一盏明灯,照亮了麦克斯韦前进的道路。后来爱因斯坦曾把法拉第和麦克斯韦称作一对，就象伽利略和牛顿一样。麦克斯韦自己也曾谈到：“因为人的心灵各有其不同的典型,科学真理也就应该以种种不同的形式表现，不管他以具有生动的物理色彩的粗豪形式出现，还是朴素无华的一种符号表示出现,它都应当被当作是同样科学的.”字里行间流露出麦克斯韦对法拉第的尊敬.麦克斯韦设计了一个理论模型，试图对法拉第的力线观念作进一步探讨.这个模型完全建立在机械结构的类比上，有人称为是“以太模型.现在看来，这个模型是很成问题的，事实上麦克斯韦在晚期著作中,也舍弃了这一模型。使人惊异的是,麦克斯韦把这个模型作为跳板，成功地登上了真理的彼岸。在讨论该模型时，麦克历韦发现了一个重要事实，引起他极大的注意。为了分析介质的性质，他将电的静电单位和电磁单位相除，比值为一常数，具有速度量纲，恰好等于光速。这实际上意味首他已经得出了电磁波传播速度与光速是一样的结论。尽管当时他尚未完全意识到这一点，只是感到事情报重要,于 1861 年 10 月 19 日写信给法拉第,报告了这一重要的结果。 1862 年，麦克斯韦在英国哲学杂志上发表了第二篇电磁论文论物理的力线。文章一刊登，立即引起了广泛的注意。这是一篇划时代的论文，它与 1855 年的论法拉第力线相比，有了质的飞跃.论文不再是法拉第观点单纯的数学翻译，而是有了重大的引伸和发展。其中最重要的是引进了“位移电流”的概念。在这以前，包括法拉第在内，人们讨论电流产生磁场时，指的总是传导电流，即导体中自由电子运动所形成的电流。麦克斯韦在研究中发现：在连接交变电源的电容器中,电介质内并不存在自由电荷，也就是没有传导电流，但磁场却同样存在。经过反复思考和分析，麦克斯韦毅然指出，这里的磁场是由另一种类型的电流形成的。这种电流存在于任何电场变化的电介质中,并和传导电流一起,形成闭合的总电流.麦克斯韦通过严密的数学推导，求出了这种电流的面密度的数学表达式，麦克斯韦把这种电流称之为“位移电流。 从理论上引出位移电流的概念，是麦克斯韦对电磁学的伟大创见,是继法拉第电磁感应之后在电磁学上的一项重大突破。根据这一科学假设，麦克所韦导出了两个高度抽象的微分方程式。 1864 年,麦克斯韦向英国皇家学会宣读了关于电磁学的第三篇论文：电磁场的动力理论.第二年，这篇论文在哲学杂志上发表,在这篇论文中,麦克期韦总结了前人的和他自己的对电磁理论的研究成果，提出了“电磁场理论。他指出:“我之所以把我提出的这个学说称为电磁场理论，是因为这关系到带电体和磁体周围的空间。另外，这个学说也可以称为电磁的动力理论,因为它假定在此空间中有物质在运动，由此会产生可观察到的电磁现象。”麦克斯韦在文章中提出了一套完整的方程组，他写出的是分量形式，而且物理量的名称相符号都和现代形式不一样。经后人的整理，麦克斯韦方程组的现代形式是: 电磁学通论虽然一抢而空，但真正读懂它的人却寥寥无几.不久,开始有人批评它了,说此书太艰深、太难懂.高度抽象的麦克斯韦微分方程,仅仅几个公式，几个数学符号，就包罗了电荷、电流、电磁、光等变化万千的一切电磁现象的规律，这在一般人看来,确是不可思议的事情。另外，自麦克斯韦宣布他的理论后，一直没有人发现电磁波.而能否证明电磁波存在,又是检验麦克斯韦理论的关键。在当时，许多物理学家对电磁波的存在是持怀疑态度的，连当年曾给麦克斯韦热情鼓励的汤姆生，也不敢肯定麦克斯韦的预言是否可靠。 麦克斯韦未能亲自从实验去证实电磁波的存在.正如他的一位学生后来所说的：“他从理论上预言了电磁波存在，但似乎从未想到用任何实验去证明它。”由于环境和工作条件的限制，麦克斯韦一直没有更多机会从事电磁实验，他主要是一位理论物理学家，电磁学上的理论工作，以及热力学和分子物理学的理论研究，耗去了他大部分时间和精力.和没有实验就没有法拉第的情形相反，对麦克斯韦来说，实验只能排在很次要的地位.他在伦敦寓所屋顶有一间狭长的阁楼，麦克所韦把它作实验室用.他妻子常帮忙生火炉，调节室温，当他的助手，条件相当简陋,只能做些简单的热力学实验。在皇家学院的实验室里，他所做过的电学实验，也限于测定电阻之类的简单操作。 电磁学通论完成后,麦克斯韦忙于筹建卡文迪许实验室，整理卡文迪许的遗著，这一繁重的工作,几乎完全占去了他一生最后几年的时间。 卡文迪许实验室是卡文迪许家族里的一位公爵捐赠修建的。为了增添仪器，麦克斯韦也拿出了自己不多的积蓄。在整个筹建过程中，从建筑设计、工程施工、仪器购置，直到大门上的题词，麦克斯韦都亲自过问。这座实验室在 1872 年动土，于 1874 年竣工.麦克斯韦是创建人,也是实验室主任，继任的主任也都是世界第一流的物理学家。卡文迪许实验室开花结果是在二十世纪。大批优秀的科学人才从这里培养出来，尤其是在原子物理学方面。 麦克斯韦在生命的最后几年的主要工作，是整理十八世纪科学家卡支迪许留下的大量资料。 卡文迪许是位喜欢离群索居、终身未娶、一心搞科学研究而又不去发表研究成果的“怪人”。整理他留下的二十多捆科学手稿，是一种非常细微而又困难的工作，麦克斯韦为此作出了很大的牺牲，他放弃了自己的研究工作，耗尽精力，才完成了任务。除了卡文迪许实验室的日常事务，麦克斯韦每一学期还主讲一门课程,内容为电磁学或热力学。他在讲台上热心宣传电磁理论；推广新学说，但听众却不多。他本来就不太擅长讲演，何况电磁理论又如此高深，不为一班人所理解,加上他妻子久病不愈，工作又十分繁重.过分的劳累和焦虑终于影响了他的健康。 1879 年，麦克斯韦的健康状况明显恶化，患的和 40 年前他母亲一样的肺结核病。但他仍然坚持工作，不懈地宣传电磁理论。他的讲座这时仅有两名听众，其中一位就是后来发明了电子管的弗莱明。这真是一幕：令人感叹的情景！空旷的阶梯教室里，只在头排坐首两个学生，麦克斯韦夹着讲义，照样步履坚定地走上讲台。他面庞消瘦，目光闪烁,表情严肃而庄重。仿佛他不是在向两名学生，而是向全世界继续解释自己的理论。 1879 年 11 月 5 日，麦克斯韦病重去世，终年仅 48 岁。他的功绩，生前未得到重视，他在英国的荣誉,远不及法拉第。他的思想太不平常了,那时第一流的物理学家要理解它，也要花上好几年的气力。只是在他死后许多年，当赫兹证明了电磁波存在后，人们才适渐意识到，并公认他是“自牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家。”现代若名的美国物理学家费曼 ,经说过这样一段活:“从人类历史的漫长远景来看-即使过一万年后回头来看毫无疑问,在 19 世纪中发生的最有意义、事件，将判定是麦克斯韦对电磁定律的发现。与这一重大科学事件相比，同一个十年发生的美国内战,将会降低为一个地区性琐事而黯然失色。” 这位科学巨匠生前的荣誉远远不及法拉第,直到他死后许多年,在赫兹证明了电磁波存在以后人们才意识到，并且公认他是“牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家.参考文献：麦克斯韦与电磁场理论 物理学教程 电磁理论发展史 百度百科-麦克斯韦的一生