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第二章第二章电磁学与电磁波电磁学与电磁波2.1电磁学发展简史电磁学发展简史2.2静电学与静磁学静电学与静磁学2.3电磁感应定律电磁感应定律2.4电磁波应用电磁波应用 电磁学电磁学是研究是研究电电、磁磁和和电磁相互作电磁相互作用用及其规律和应用的物理学及其规律和应用的物理学分支分支。由于历史上的原因，由于历史上的原因，磁磁曾被认为是曾被认为是与与电电独立无关独立无关的现象。的现象。第二章第二章 电磁学与电磁波电磁学与电磁波2.1 电磁学发展简史电磁学发展简史 中国古代的贡献：最早中国古代的贡献：最早文字记载文字记载“雷雷”、“电电”，发明指南针发明指南针等。等。战国时战国时司南司南和地盘复原模型和地盘复原模型 最早总结前人对最早总结前人对电磁研究电磁研究的大量经验，的大量经验，讨论电磁体性质的英国医生讨论电磁体性质的英国医生吉尔伯特吉尔伯特，他断言：他断言：电电与与磁磁是两种是两种不同不同的现象。的现象。吉尔伯特吉尔伯特北宋科学家北宋科学家北宋科学家北宋科学家沈括沈括沈括沈括指指指指南针南针南针南针四种试验复原四种试验复原四种试验复原四种试验复原 北宋初年，北宋初年，北宋初年，北宋初年，曾公亮曾公亮曾公亮曾公亮主编的主编的主编的主编的武武武武经总要经总要经总要经总要（约成书（约成书（约成书（约成书1044104410441044年）中年）中年）中年）中介绍了一种介绍了一种介绍了一种介绍了一种“指南鱼指南鱼指南鱼指南鱼”(复原模复原模复原模复原模型型型型)元元代代磁磁州州窑窑绘绘绘绘浮浮针针瓷瓷碗碗元元代代指指南南龟龟复复原原(剖剖面面)明代航海明代航海水罗盘水罗盘复原复原 明明嘉嘉靖靖年年间间(1522 1566)航航海海木木帆帆船船沿沿用用“旱旱罗罗盘盘”富兰克林富兰克林著名著名风筝实验风筝实验美国的美国的富兰克林富兰克林的最著名的实验是的最著名的实验是风筝实验风筝实验。早在。早在1749年他就注意到年他就注意到雷闪雷闪与与放电放电有许多有许多相同之处相同之处。1752年他通过在雷雨天气将年他通过在雷雨天气将风筝风筝放入云层，来进行雷击实放入云层，来进行雷击实验，证明了验，证明了雷闪雷闪就是就是放电现象放电现象。1785年，年，库仑库仑设计了精巧的设计了精巧的扭秤实验扭秤实验，直接测，直接测定了两个定了两个静止点电荷静止点电荷的相互作用力与它们之间的的相互作用力与它们之间的距距离二次方成反比离二次方成反比，与它们的电量乘积成正比。，与它们的电量乘积成正比。库仑库仑的实验得到了世界的公认，的实验得到了世界的公认，库仑库仑的的扭秤实验扭秤实验库仑库仑（CharlesAugustindeCoulomb,1736,173618061806）法国物理学、军事工程师法国物理学、军事工程师。17361736年年6 6月月1414日日生于昂古莱姆。生于昂古莱姆。17611761年毕业于军事工程学校，并作年毕业于军事工程学校，并作为为军事工程师军事工程师服役多年。后因健康原因，被迫回家，服役多年。后因健康原因，被迫回家，因此有闲暇从事科学研究。由于他写的一篇题为因此有闲暇从事科学研究。由于他写的一篇题为简单机械论简单机械论的报告而获得的报告而获得法国科学院法国科学院的奖励，的奖励，并由此于并由此于17811781年年当选为当选为法国科学院院士法国科学院院士。法国大革。法国大革命时期，他辞去公职，在布卢瓦附近乡村过隐居生命时期，他辞去公职，在布卢瓦附近乡村过隐居生活，拿破仑执政后，他返回巴黎，继续进行研究工活，拿破仑执政后，他返回巴黎，继续进行研究工作。作。18061806年年8 8月月2323日在巴黎逝世。日在巴黎逝世。库仑的研究兴趣十分广泛，在库仑的研究兴趣十分广泛，在结构力学结构力学、梁梁的断裂的断裂、材料力学材料力学、扭力扭力、摩擦理论摩擦理论等方面等方面都取得过成就。都取得过成就。17731773年年法国科学院法国科学院悬赏征求悬赏征求改进改进船用指南针船用指南针的方案。库仑在研究的方案。库仑在研究静磁力静磁力中，中，把把磁针的支托磁针的支托改为用头发丝改为用头发丝或或蚕丝悬挂蚕丝悬挂，以以消除摩擦消除摩擦引起的误差，从而获得引起的误差，从而获得1777年法年法国科学院的头等奖国科学院的头等奖。他进而研究了。他进而研究了金属丝的金属丝的扭力扭力，于，于1784年提出了年提出了金属丝金属丝的的扭力定律。扭力定律。这二个成果具有极为这二个成果具有极为重要的意义重要的意义，它给出了一种，它给出了一种新新的的测量测量极小力极小力的方法。的方法。同年他设计出一种新型同年他设计出一种新型测力仪器测力仪器扭秤扭秤。利用扭秤，他在利用扭秤，他在1785年年根据根据实验实验得出了电学中的基本定律得出了电学中的基本定律库仑定律库仑定律。1788年，他把同样的结果推广到两个磁极之间的年，他把同样的结果推广到两个磁极之间的相互作用，这项成果意义重大，相互作用，这项成果意义重大，它标志着它标志着电学电学和和磁学研究磁学研究从定性从定性进入了定量研究进入了定量研究。早在早在1781年他还提出过关于摩擦及滑动年他还提出过关于摩擦及滑动定律。他在多种实验基础上研究了许多实际定律。他在多种实验基础上研究了许多实际静摩擦现象及其相关因素，并提出了滑动摩静摩擦现象及其相关因素，并提出了滑动摩擦力。擦力。库仑库仑著有著有库仑论文集库仑论文集（18841884年）年）为纪念为纪念他对物理学的重要贡献他对物理学的重要贡献，电量单位电量单位便以便以库仑库仑命名。命名。1799年年伏打伏打制造了制造了第一个第一个能产生持续电流能产生持续电流的的化学电池化学电池。物理学家物理学家伏打伏打伏打（伏打（Alessandro Volta,17451827）意大利物理学家意大利物理学家。1745年年2月月18日生于意大利日生于意大利科莫科莫。学生时代就会对自然科学有浓厚兴趣。学生时代就会对自然科学有浓厚兴趣。17741779年任科莫大学预科物理学教授。年任科莫大学预科物理学教授。17791815年任帕多瓦大学哲学系主任。年任帕多瓦大学哲学系主任。1819年退休后回到故乡科莫。年退休后回到故乡科莫。1827年年3月月5日日在该地逝世。在该地逝世。伏打伏打自自1765年开始从事年开始从事静电静电实验研究实验研究，1769年发表静电学著作年发表静电学著作论电的吸引论电的吸引。1775年发明年发明树脂起电盘树脂起电盘，1781年发明灵敏的年发明灵敏的麦秸验电器麦秸验电器。1782年建立了导体电容年建立了导体电容C、电、电荷荷Q及其电势及其电势V之间的关系式。之间的关系式。伏打伏打主要贡献是主要贡献是发明伏打电堆发明伏打电堆(伏打电池伏打电池)。当他得悉当他得悉伽伐尼伽伐尼“动物电动物电”的实验消息后，的实验消息后，于于1791年着手研究这一现象。经过大量实验，年着手研究这一现象。经过大量实验，他他否定了否定了“动物电动物电”学说，提出了学说，提出了电电的的“接接触触”学说，指出学说，指出伽伐尼电伽伐尼电产生于产生于两种两种不同金不同金属的接触属的接触。在这项研究的基础上，他提出了。在这项研究的基础上，他提出了著名的著名的“伏打序列伏打序列”。他称。他称金属金属为第一类导为第一类导体，体，湿物体湿物体为为第二类导体，如果第二类导体，如果回路中同时回路中同时存在两类导体，就能够存在两类导体，就能够产生电流。产生电流。1800年初，他发现了能够十分明显地增强该年初，他发现了能够十分明显地增强该效应的方法，从而效应的方法，从而发明了发明了“伏打电堆伏打电堆”。1800年年3月月20日他宣布了这项发明，引起极大日他宣布了这项发明，引起极大轰动。轰动。这是这是第一个第一个可以产生可以产生稳定、持续电流稳定、持续电流的装置的装置(伏打电池伏打电池)，为，为电学研究电学研究开创了开创了新局新局面。面。18011801年拿破仑一世召他到巴黎表演电堆年拿破仑一世召他到巴黎表演电堆实验，授予他金质奖章和实验，授予他金质奖章和伯爵伯爵称号；称号；1803年年当选为当选为法国科学院外国院士法国科学院外国院士。他的其他研究成果还有：他的其他研究成果还有：1776年发现年发现甲烷甲烷，测定了空气的膨胀系数。测定了空气的膨胀系数。为了纪念他在电学上的贡献，根据为了纪念他在电学上的贡献，根据他的他的姓氏姓氏把把电动势、电势差、电压电动势、电势差、电压的单位命名为的单位命名为伏特伏特（volt）。）。Hans Christian OrstedBorn:14 August1777 Died:9March1851Dane(丹麦人丹麦人)What Orsted saw.1820年年发现发现电流电流的的磁效应磁效应 一次演讲中，一次演讲中，偶然发现偶然发现导线通电导线通电时，在时，在它的下方的它的下方的小磁针小磁针有一微小晃动。他抓住了有一微小晃动。他抓住了这个现象，经过这个现象，经过3个月个月的反复实验，发现了的反复实验，发现了电电流磁效应流磁效应。揭开了研究。揭开了研究电与磁电与磁内在联系的序内在联系的序幕。幕。奥斯特奥斯特发现发现电流磁效应电流磁效应基于基于（1）自然哲学思想）自然哲学思想自然自然各种基本力各种基本力可以可以相互转化。相互转化。（2）已发现一些）已发现一些电电可能会发生可能会发生磁磁的迹象。的迹象。坚信坚信电磁间有联系电磁间有联系，并发展，并发展电电是是否能产生否能产生磁磁的研究。的研究。奥奥斯斯特特 法国著名生物学家法国著名生物学家巴斯德巴斯德在讲述在讲述奥斯奥斯特的发现特的发现时，说过一句名言：时，说过一句名言：“在观察领域的一切机遇在观察领域的一切机遇只偏爱只偏爱有那有那些准备的头脑些准备的头脑。”讨论：这句讨论：这句名言名言已在社会上被广泛使用已在社会上被广泛使用。安培安培演示演示电流相互作用电流相互作用的装置（复制品）的装置（复制品）安培安培对对电流磁效应电流磁效应的进行了深入研究，的进行了深入研究，安培安培从从磁体磁体与与磁体磁体、电流电流与与磁体磁体相互作用，相互作用，联想并发现联想并发现了了通电导线之间有相互作用通电导线之间有相互作用。并进一步发现了。并进一步发现了通通电螺线管电螺线管与与条形磁铁条形磁铁的等效性。的等效性。安培安培载流直导线载流直导线相相互作用互作用 载流螺线管载流螺线管与与条形条形磁铁磁铁等效等效 安培安培（AndreMarieAmpere，17751836）法国物理学家法国物理学家。1775年年1 1月月22日生于里昂一日生于里昂一个个富商家庭富商家庭。从小受到良好的家庭教育。从小受到良好的家庭教育。他父亲他父亲按按照卢梭的教育思想，鼓励他走照卢梭的教育思想，鼓励他走自学成才自学成才之路。之路。1212岁岁时时就就自学了自学了微分运算和各种数学书籍，显示出较高微分运算和各种数学书籍，显示出较高的数学天赋。为了能到里昂图书馆去直看接阅读欧的数学天赋。为了能到里昂图书馆去直看接阅读欧勒、伯努利等人的拉丁文原著，他还花了几星期时勒、伯努利等人的拉丁文原著，他还花了几星期时间掌握了拉丁文。间掌握了拉丁文。1414岁时岁时就钻研了当时狄德罗和达就钻研了当时狄德罗和达兰贝尔编的兰贝尔编的百科全书百科全书。没有上过任何学校没有上过任何学校，依靠自学，他掌握了各方面的依靠自学，他掌握了各方面的知识知识。17931793年（年（1818岁）因其父在法国大革命时期被岁）因其父在法国大革命时期被杀，为了糊口他做了家庭教师。在读了一本卢梭关杀，为了糊口他做了家庭教师。在读了一本卢梭关于植物学的书以后，又重新燃起了他对科学的热情。于植物学的书以后，又重新燃起了他对科学的热情。18021802年，在布尔让布雷斯中央学校任物理学及化年，在布尔让布雷斯中央学校任物理学及化学教授，学教授，18081808年被任命为新建的大学联合组织的总年被任命为新建的大学联合组织的总监事，此后一直担任此职。监事，此后一直担任此职。18141814年被选为年被选为帝国学院帝国学院数学部成员数学部成员。18191819年主持巴黎大学哲学讲座。年主持巴黎大学哲学讲座。18241824年任年任法兰西学院实验物理学教授法兰西学院实验物理学教授，18361836年年6 6月月1010日日在马赛逝世。在马赛逝世。他的兴趣十分广泛，早年他的兴趣十分广泛，早年是在数学方面是在数学方面，曾研究，曾研究过过概率论概率论及及偏微分方程偏微分方程，他的一篇关于，他的一篇关于博奕机遇博奕机遇的数学论文曾引起的数学论文曾引起达朗贝尔达朗贝尔的瞩目。后来又作了的瞩目。后来又作了些化学研究，他只比些化学研究，他只比阿伏加德罗阿伏加德罗晚三年导出晚三年导出阿伏阿伏加德罗定律加德罗定律。由于他高超的数学造诣，他成为。由于他高超的数学造诣，他成为将将数学分析数学分析应用于应用于分子物理学方面的先驱。分子物理学方面的先驱。他的研他的研究领域还涉及植物学、光学、心理学、伦理学、究领域还涉及植物学、光学、心理学、伦理学、哲学、科学分类学等方面。他写出了哲学、科学分类学等方面。他写出了人类知识人类知识自然分类的分析说明自然分类的分析说明（18341843）这一涉及）这一涉及各科知识的综合性著作。各科知识的综合性著作。他的他的主要科学工作主要科学工作是在是在电磁学电磁学上。上。18201820年奥斯年奥斯特发现电流磁效应的消息由阿拉果带回巴黎，他作特发现电流磁效应的消息由阿拉果带回巴黎，他作出迅速反应，在短短的一个多月时间内，提出了出迅速反应，在短短的一个多月时间内，提出了3 3篇论文，报告他的实验研究结果：篇论文，报告他的实验研究结果：通电螺线管与通电螺线管与磁磁体体相似相似；两个平行长直载流导线之间存在相互作用两个平行长直载流导线之间存在相互作用。进而他用实验证明，在地球磁场中，通电螺线管犹进而他用实验证明，在地球磁场中，通电螺线管犹如小磁针样取向。一系列实验结果，提供给他一个如小磁针样取向。一系列实验结果，提供给他一个重大线索：重大线索：磁铁的磁性，是由闭合电流产生的磁铁的磁性，是由闭合电流产生的。起。起先，他认为磁体中存在着一个大的环形电流，后来先，他认为磁体中存在着一个大的环形电流，后来经好友菲涅耳提醒（宏观圆形电流会引起磁体中发经好友菲涅耳提醒（宏观圆形电流会引起磁体中发热），提出热），提出分子电流分子电流假说。假说。他他试图试图参照牛顿力学的方法，处理参照牛顿力学的方法，处理电磁学电磁学问问题题。他认为。他认为在在电磁学电磁学中与中与质点质点相对应的是相对应的是电电流元流元，所以根本问题是找出，所以根本问题是找出电流元之间的电流元之间的相相互作用力互作用力。为此，自。为此，自18201820年年1010月起，他潜心月起，他潜心研究电流间的相互作用，这期间显示了他的研究电流间的相互作用，这期间显示了他的高超实验技巧。依据四个典型实验，他终于高超实验技巧。依据四个典型实验，他终于得出了得出了两个电流元间的作用力公式两个电流元间的作用力公式。他把自。他把自己的理论称作己的理论称作“电动力学电动力学”。安培在电磁学。安培在电磁学方面的主要著作是方面的主要著作是电动力学现象的数学理电动力学现象的数学理论论，它是电磁学的重要经典著作之一。，它是电磁学的重要经典著作之一。以他的姓氏以他的姓氏安培安培命名的命名的电流强度电流强度的的单单位位，为国际单位制的基本单位之一。，为国际单位制的基本单位之一。此外，他还提出，在螺线管中加软铁芯，可此外，他还提出，在螺线管中加软铁芯，可以增强磁性。以增强磁性。1820年他年他首先提出首先提出利用电磁现利用电磁现象象传递传递电报讯号电报讯号。欧姆欧姆发现电路定律发现电路定律基尔霍夫基尔霍夫分支电路定律分支电路定律乔治乔治西蒙西蒙欧姆欧姆(1787(17871845)17871845)1787年年3 3月月1616日日生于生于德国德国埃尔兰根城，父亲是锁匠。父亲自学了数埃尔兰根城，父亲是锁匠。父亲自学了数学和物理方面的知识，并教给少年时期的欧姆，唤学和物理方面的知识，并教给少年时期的欧姆，唤起了欧姆对科学的兴趣。起了欧姆对科学的兴趣。1616岁时他进入埃尔兰根大岁时他进入埃尔兰根大学研究数学、物理与哲学，由于经济困难，中途缀学研究数学、物理与哲学，由于经济困难，中途缀学，到学，到18131813年才完成年才完成博士学业博士学业。欧姆是一个很有天欧姆是一个很有天才和科学抱负的人才和科学抱负的人，他长期担任，他长期担任中学教师中学教师，由于缺，由于缺少资料和仪器，给他的研究工作带来不少困难，但少资料和仪器，给他的研究工作带来不少困难，但他在孤独与困难的环境中始终坚持不懈地进行科学他在孤独与困难的环境中始终坚持不懈地进行科学研究，自己动手制作仪器。研究，自己动手制作仪器。欧姆对欧姆对导线中的电流导线中的电流进行了研究。他从进行了研究。他从傅立叶发傅立叶发现的现的热传导规律热传导规律受到启发受到启发，导热杆导热杆中中两点间两点间的的热流热流量量(在导热物体中单位时间内通过垂直于传热方向在导热物体中单位时间内通过垂直于传热方向某一截面的热量某一截面的热量)正比于正比于这两点间的这两点间的温度差温度差。因而。因而欧姆认为欧姆认为，电流现象电流现象与此相似，与此相似，猜想猜想导线中两点之导线中两点之间的间的电流电流也许正比于它们之间的也许正比于它们之间的某种驱动力某种驱动力，即，即现现在所称的电动势在所称的电动势。欧姆花了很大的精力在这方面进。欧姆花了很大的精力在这方面进行研究。开始他用伏打电堆作电源，但是因为电流行研究。开始他用伏打电堆作电源，但是因为电流不稳定，效果不好。后来他改用不稳定，效果不好。后来他改用温差电池温差电池作电源，作电源，从而保证了电流的稳定性。从而保证了电流的稳定性。但是但是如何测量电流的大小如何测量电流的大小，这在当时还是一个没有，这在当时还是一个没有解决的难题。开始，欧姆利用解决的难题。开始，欧姆利用电流电流的的热效应热效应，用，用热热胀冷缩的方胀冷缩的方法来测量电流，但这种方法难以得到精法来测量电流，但这种方法难以得到精确的结果。后来他确的结果。后来他把奥斯特关于把奥斯特关于电流磁效应电流磁效应的发现的发现和和库仑扭秤库仑扭秤结合起来结合起来，巧妙地设计了一个，巧妙地设计了一个电流扭秤电流扭秤，用用一根扭丝一根扭丝悬挂一磁针，让通电导线和磁针都沿子悬挂一磁针，让通电导线和磁针都沿子午线方向午线方向平行放置平行放置；再用；再用铋和铜温差电池铋和铜温差电池，一端浸，一端浸在沸水中，另一端浸在碎冰中，并用两个水银槽作在沸水中，另一端浸在碎冰中，并用两个水银槽作电极，与铜线相连。当导线中通过电流时，电极，与铜线相连。当导线中通过电流时，磁针的磁针的偏转角偏转角与与导线中的电流导线中的电流成成正比。正比。实验中他用实验中他用粗细相同粗细相同、长度不同的长度不同的八根八根铜导铜导线线进行了测量，得出了如下的等式：进行了测量，得出了如下的等式：Xa(bx)式中式中X为为磁效应强度磁效应强度，即，即电流的大小电流的大小；a是与是与激发力激发力(即温度差即温度差)有关的常数，即有关的常数，即电动势电动势；x表示导线的长度，表示导线的长度，b是与电路其余部分的电是与电路其余部分的电阻有关的常数，阻有关的常数，bx实际上表示电路的实际上表示电路的总电总电阻阻。这个结果于这个结果于1826年发表。年发表。1827年欧姆又在年欧姆又在动电电动电电路的数学研究路的数学研究一书中，把他的实验规律总结成如一书中，把他的实验规律总结成如下公式：下公式：E。式中式中S 表示表示电流电流；E 表示电动力，即导线两端的表示电动力，即导线两端的电电势差势差，为导线对电流的为导线对电流的传导率传导率，其倒数其倒数即为即为电阻。电阻。欧姆定律发现初期，许多物理学家不能正确理解和欧姆定律发现初期，许多物理学家不能正确理解和评价这一发现，并遭到怀疑和尖锐的批评。评价这一发现，并遭到怀疑和尖锐的批评。研究成研究成果被忽视果被忽视，经济极其困难，使欧姆，经济极其困难，使欧姆精神抑郁精神抑郁。直到直到1841年英国皇家学会年英国皇家学会授予他授予他最高荣誉最高荣誉的的科普利科普利金牌，金牌，才引起才引起德国科学界德国科学界的重视。的重视。欧姆在自己的许多著作里还证明了：欧姆在自己的许多著作里还证明了：电阻与导电阻与导体的长度成正比，与导体的横截面积和传导性成反体的长度成正比，与导体的横截面积和传导性成反比比；在稳定电流的情况下，电荷不仅在导体的表面；在稳定电流的情况下，电荷不仅在导体的表面上，而且在导体的整个截面上运动。上，而且在导体的整个截面上运动。法拉第法拉第从事电磁现象的实验研究从事电磁现象的实验研究 楞次楞次给出感应电流方向的描述给出感应电流方向的描述 电磁场的电磁场的麦克斯韦麦克斯韦方程组方程组 赫兹赫兹电磁波实验电磁波实验2.2 静电学静电学与与静磁学静磁学 电电”在西方是从希腊文在西方是从希腊文(琥珀琥珀)一词转意得来。大概是有一个一词转意得来。大概是有一个希腊牧羊人希腊牧羊人想用想用羊皮羊皮把捡到的把捡到的琥珀琥珀擦亮擦亮,不经意中不经意中发现发现琥珀琥珀具有一种具有一种吸引吸引碎草屑碎草屑的神秘性质。的神秘性质。在中国则是从雷闪现象中引出来的。在中国则是从雷闪现象中引出来的。2.2.1 静电学静电学 静电学静电学是研究是研究静止电荷静止电荷产生电场产生电场及及电场电场对对电荷电荷产生作用力的规律。产生作用力的规律。电荷种类电荷种类：正电荷正电荷和和负电荷负电荷。电荷守恒定律电荷守恒定律：电荷可以从一个物体转：电荷可以从一个物体转移到另一个物体，任何物理过程中移到另一个物体，任何物理过程中电荷电荷的代数和的代数和保持不变。保持不变。库仑定律库仑定律：同种电荷同种电荷相互相互排斥排斥，异种电荷异种电荷 相互相互吸引吸引 库仑定律库仑定律 类比类比万有引力，科学万有引力，科学家家猜测猜测电荷间作用力与电荷间作用力与距距离平方离平方成成反比反比。罗比逊罗比逊实验，发现实验，发现 罗比逊罗比逊实验装置实验装置 苏格兰苏格兰的的罗比逊罗比逊认为认为:应该是应该是反比反比关系关系,现在现在指数比指数比2大大是由于实验是由于实验误误差造成的。差造成的。卡文迪许卡文迪许利用两个利用两个同心球同心球的实验的实验证明了上述规律，他得到证明了上述规律，他得到=0.02，可惜可惜两人的工作都未发表。两人的工作都未发表。库仑库仑于于1875年用年用扭秤扭秤实验，通过与万实验，通过与万有引力有引力类比类比，证明并提出了，证明并提出了库仑定律库仑定律 C2/（Nm2）计算表明，计算表明，库仑力库仑力远大于远大于万有引力万有引力 从从库仑定律库仑定律的建立看的建立看类比方法类比方法的的重要性重要性 库仑测得库仑测得=0.04，但他断定，但他断定力与距离成力与距离成平方反比平方反比，是成功运用，是成功运用类比方法类比方法的结果。的结果。麦克斯韦麦克斯韦对对类比法类比法的论述：的论述：“为了不用为了不用物理理论而得到物理思想，我们必须熟悉物理理论而得到物理思想，我们必须熟悉物物理类比理类比的存在。所谓的存在。所谓物理类比物理类比，我指的是：，我指的是：一种科学定律一种科学定律与与另一种科学定律另一种科学定律之间的之间的部分部分相似性相似性。它使得这两种科学可以相互说明。它使得这两种科学可以相互说明。”安培他安培他试图试图参照牛顿力学的方法，处理电磁参照牛顿力学的方法，处理电磁学问题学问题。他认为。他认为在在电磁学电磁学中与中与质点质点相对应的相对应的是是电流元电流元，所以根本问题是找出，所以根本问题是找出电流元之间电流元之间的相互作用力。的相互作用力。欧姆对欧姆对导线中的电流导线中的电流进行了研究。他从进行了研究。他从傅立傅立叶发现的叶发现的热传导规律热传导规律受到启发受到启发，导热杆导热杆中中两两点间点间的的热流量热流量正比于正比于这两点间的这两点间的温度差温度差。因。因而而欧姆认为欧姆认为，电流现象电流现象与此与此相似相似，猜想猜想导线导线中两点之间的中两点之间的电流电流也许正比于它们之间的也许正比于它们之间的某某种驱动力种驱动力，即，即现在所称的电动势现在所称的电动势。汤川秀树汤川秀树也是也是类比法类比法的的成功运用者成功运用者，他通过将，他通过将核力核力和和电磁力类比电磁力类比，成功地提出了，成功地提出了核力的介子理论核力的介子理论。他说：他说：“类比类比是一种是一种创造性思维的形式创造性思维的形式，假定假定存在一个存在一个人所不能理解人所不能理解的某物，他偶尔注意到的某物，他偶尔注意到这一这一物物和他所熟悉的和他所熟悉的另一物另一物的的相似性相似性。他通过将两者。他通过将两者比比较较就可以就可以理解理解他在此刻之前他在此刻之前尚不能理解尚不能理解的的某物某物。如。如果他的果他的理解是恰当的理解是恰当的，而且还，而且还没有人没有人达到这样的理达到这样的理解，那么可以说，他的思维确实是解，那么可以说，他的思维确实是创造性的创造性的。”汤川秀树汤川秀树(日本物理学家日本物理学家)19071907年年1 1月月2323日生于东京。日生于东京。19131913年入小学，成绩优良，年入小学，成绩优良，喜欢数学、科学哲学，受中国儒、老、庄典籍不少影喜欢数学、科学哲学，受中国儒、老、庄典籍不少影响。响。19291929年毕业于年毕业于京都大学物理系京都大学物理系。19321932年任京都大年任京都大学讲师。学讲师。1933193319391939年在大阪大学任教，研究原子核年在大阪大学任教，研究原子核和量子场论。和量子场论。19381938年获年获大阪帝国大学博士大阪帝国大学博士学位。学位。19391939年回京都大学任物理学教授，直到年回京都大学任物理学教授，直到19701970年。其间年。其间1943194319451945年兼任东京大学教授。他从年兼任东京大学教授。他从19461946年起主编英文年起主编英文杂志杂志理论物理学进展理论物理学进展，向国外介绍日本理论物理，向国外介绍日本理论物理学的研究成果。学的研究成果。19481948年受聘为美国普林斯顿高级研究年受聘为美国普林斯顿高级研究院客座教授，院客座教授，1949194919511951年任哥伦比亚大学教授。年任哥伦比亚大学教授。1953195319701970年任京都大学基础物理学研究所第一任所年任京都大学基础物理学研究所第一任所长。长。19571957年参加世界和平运动大会，呼吁和平利用原年参加世界和平运动大会，呼吁和平利用原子能。子能。19751975年以后长期患病，年以后长期患病，19811981年年9 9月月8 8日在京都逝日在京都逝世。世。生活在书香之家，汤川秀树从小就喜爱图书，养成了生活在书香之家，汤川秀树从小就喜爱图书，养成了爱爱读、多想、勤写的好习惯读、多想、勤写的好习惯。他的父亲是个开明的人，不。他的父亲是个开明的人，不象其他日本家庭那样硬要孩子遵命选择职业，而是谆谆象其他日本家庭那样硬要孩子遵命选择职业，而是谆谆诱导汤川秀树自己去抉择未来。勤奋向上的汤川秀树在诱导汤川秀树自己去抉择未来。勤奋向上的汤川秀树在他迈进大学的门槛时，决定专心致志地攻读他迈进大学的门槛时，决定专心致志地攻读物理学物理学，还，还特地选定了当时新兴的特地选定了当时新兴的量子物理学量子物理学当作自己进击的目标。当作自己进击的目标。那个时候，日本的科学还是很落后的，量子物理学更是那个时候，日本的科学还是很落后的，量子物理学更是一片空白。汤川秀树的决定是十分大胆的，也是带有风一片空白。汤川秀树的决定是十分大胆的，也是带有风险的，但是他毫不畏惧，充满信心地开始了对微观世界险的，但是他毫不畏惧，充满信心地开始了对微观世界的探索。他千方百计地搜集和购买各种关于量子物理的的探索。他千方百计地搜集和购买各种关于量子物理的书刊，书刊，广泛阅读广泛阅读欧洲、美国的科学家们最新发表的论文，欧洲、美国的科学家们最新发表的论文，虚心拜一位有名的物理学教授为师。这样，汤川秀树在虚心拜一位有名的物理学教授为师。这样，汤川秀树在大学里打下了坚实的知识基础。大学里打下了坚实的知识基础。汤川秀树是一位汤川秀树是一位没有到过欧美留学没有到过欧美留学，而是在而是在日本国土生土长起来日本国土生土长起来的的理论物理论物理学家理学家。汤川秀树自谦地说：。汤川秀树自谦地说：“我不我不是非凡的人，而是在深山丛林中寻找是非凡的人，而是在深山丛林中寻找道路的人。道路的人。”但是，但是，他的成功他的成功告诉人告诉人们：在落后的条件下，勤奋探求，勇们：在落后的条件下，勤奋探求，勇往直前，同样可以到达光辉的顶点。往直前，同样可以到达光辉的顶点。他的成功，他的荣誉，成为激励日本他的成功，他的荣誉，成为激励日本人民在战后废墟上进行建设的精神力人民在战后废墟上进行建设的精神力量。量。在在1935年汤川秀树提出年汤川秀树提出介子介子学说学说，以，以“基本粒子基本粒子的相互作用的相互作用”为题，发表了介子场论文。预言作为题，发表了介子场论文。预言作为核力及为核力及衰变的媒介存在有衰变的媒介存在有新粒子新粒子即即介子介子，还，还提出了核力场的方程和核力的势，即汤川势的表提出了核力场的方程和核力的势，即汤川势的表达式。按照这一理论，达式。按照这一理论，质子质子和和中子中子通过交换通过交换介子介子而互相转化，核力是一种而互相转化，核力是一种交换介子交换介子的相互作用。的相互作用。1937年年C.D.C.D.安德森等在宇宙线中发现安德森等在宇宙线中发现新的带电粒新的带电粒子子（后被认定为（后被认定为子子）之后，经）之后，经C.F.C.F.鲍威尔等人鲍威尔等人的研究，于的研究，于19471947年在年在宇宙射线宇宙射线中发现了另一种粒中发现了另一种粒子，认定是汤川秀树所预言的介子，被命名为子，认定是汤川秀树所预言的介子，被命名为介子介子。诺贝尔奖获得者诺贝尔奖获得者 19491949年年诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖授予授予汤川汤川秀树秀树，以表彰他在核力的理论基础，以表彰他在核力的理论基础上预言了上预言了介子介子的存在。他是的存在。他是第一个第一个获得获得诺贝尔奖的日本人诺贝尔奖的日本人。必须指出必须指出：有时：有时简单的类比简单的类比也会也会导致错误导致错误的结果的结果。如。如惠更斯惠更斯类比类比声波声波，认为，认为光波光波也是也是纵波纵波就错了。可见类比结果是否正确还得由就错了。可见类比结果是否正确还得由实验检验。实验检验。静电场中的导体静电场中的导体一、静电感应与静电平衡一、静电感应与静电平衡 静电感应静电感应 在在静电场力静电场力作用下，作用下，导导体体中中电荷重新分布电荷重新分布的现象。的现象。导体导体的的静电感应静电感应过程过程无外电场时无外电场时导体的静电感应过程导体的静电感应过程加上加上外电场后外电场后E外外导体的静电感应过程导体的静电感应过程加上外电场后加上外电场后E外外+导体的静电感应过程导体的静电感应过程加上外电场后加上外电场后E外外+导体的静电感应过程导体的静电感应过程加上外电场后加上外电场后E外外+导体的静电感应过程导体的静电感应过程加上外电场后加上外电场后+E外外+导体达到导体达到静电平衡静电平衡+E+E外外E感感+=内内0E外外E感感 静电平衡静电平衡 导体中电荷导体中电荷的的宏观定宏观定向运动终止向运动终止，电荷分布电荷分布不随时间改变。不随时间改变。静电平衡静电平衡条件：条件：用用场强场强来描写：来描写：1.导体导体内部内部电场强度电场强度处处为处处为零零；2.表面表面电场强度电场强度垂直于垂直于导体表面。导体表面。用用电势电势来描写来描写：1.导体为一导体为一等电势体等电势体；2.导体表面是一个导体表面是一个等势面等势面。金属球金属球放入前电场为一放入前电场为一均匀场均匀场E金属球放入后电力线发生弯曲金属球放入后电力线发生弯曲 电场电场为一为一非均匀场非均匀场+E二、二、静电平衡时静电平衡时导体上的电荷分布导体上的电荷分布 1 1、实心导体实心导体 在在静电平衡静电平衡下下，电荷电荷只分布在只分布在导体表面导体表面。结论结论：电荷电荷分布在导体分布在导体 表面表面，导体内部导体内部 场强场强处处为零处处为零。+2.2.空腔导体空腔导体 （1）腔内腔内无带电体无带电体：当导体壳内当导体壳内没有其没有其他带电体时他带电体时，在静电平，在静电平衡下，导体壳的衡下，导体壳的内表面内表面上处处没有电荷，上处处没有电荷，电荷电荷只能分布在只能分布在外表面外表面。空腔内空腔内没有电场没有电场，或者说，空腔内的，或者说，空腔内的电势处处相等。电势处处相等。q1q2（2）腔内）腔内有有带电体带电体：腔体内表面腔体内表面所带的电量和腔内带电体所所带的电量和腔内带电体所带的电量带的电量等量异号等量异号，腔体外表面所带的电量，腔体外表面所带的电量由由电荷守恒定律决定电荷守恒定律决定。+q1q1+放入放入 后后q1q2未引入未引入 时时q1三、三、静电屏蔽静电屏蔽 在在静电平衡静电平衡状态下状态下，腔内无其他带电，腔内无其他带电体的体的导体壳导体壳和和实心导体实心导体一样，一样，内部没有电内部没有电场场。只要达到了只要达到了静电平衡静电平衡状态状态，不管，不管导体导体壳壳本身本身是否带电是否带电或导体是否处于或导体是否处于外界电场外界电场中中，这一结论总是对的。，这一结论总是对的。这样，这样，导体壳的表面导体壳的表面就就“保护保护”了它了它所所包围的区域包围的区域，使之，使之不受不受导体壳导体壳外表面上外表面上的电荷的电荷或或外界电场外界电场的影响，这个现象称为的影响，这个现象称为静电屏蔽。静电屏蔽。静电屏蔽静电屏蔽的的应用应用例如：为了使一些例如：为了使一些精密的电磁测量仪器精密的电磁测量仪器不不受受外界电场外界电场的干扰，通常的干扰，通常在仪器外面加上在仪器外面加上金属罩金属罩。实际上金属外壳不一定要严格封。实际上金属外壳不一定要严格封闭，甚至用闭，甚至用金属网金属网作成的外罩就能起到相作成的外罩就能起到相当好的当好的屏蔽作用屏蔽作用。有时要使一个有时要使一个带电体带电体不影响外界不影响外界，这时可以，这时可以把这把这带电体带电体放在接地的放在接地的金属壳金属壳或或金属网金属网内。内。静电屏蔽原理静电屏蔽原理：我们假设我们假设带电体带电体带正电带正电。有了。有了金属外金属外壳壳之后，其之后，其外壳内表面外壳内表面出现等量的出现等量的负电荷负电荷。由由内部带电体内部带电体出发的出发的电力线电力线就会全部终止就会全部终止在在外壳内表面外壳内表面等量的等量的负电荷上负电荷上，使，使电力线电力线不能不能穿出穿出导体壳。这样就把导体壳。这样就把内部带电体内部带电体对对外界的影响全部外界的影响全部隔绝了隔绝了。+然而，然而，如果外壳不如果外壳不接地接地，在它的，在它的外表面外表面还还有等量的有等量的感应电荷感应电荷，它它的电场的电场将对外界产生影将对外界产生影响。响。如果把如果把外壳接地外壳接地，则，则由于由于内部带电体内部带电体的存在而的存在而在外表面产生的在外表面产生的感应电荷感应电荷将流入地下，这样，内部将流入地下，这样，内部带电体对外界的带电体对外界的影响影响全部全部消除了消除了。说得确切一点，应是说得确切一点，应是外壳内表面的负电荷在导外壳内表面的负电荷在导体壳外产生了一个电场，体壳外产生了一个电场，它和内部带电体在导体壳它和内部带电体在导体壳外产生的电场处处抵消外产生的电场处处抵消。+静磁学静磁学是研究是研究电流稳恒时电流稳恒时产生的磁场产生的磁场以以及及磁场磁场对对电流作用力电流作用力的规律。的规律。2.2.2 静磁学静磁学电流电流：电荷的定向流动形成电流。：电荷的定向流动形成电流。磁场磁场：电流之间电流之间存在磁的相互作用，这种存在磁的相互作用，这种磁相互作磁相互作用用是通过是通过磁场传递磁场传递的，的，即电流即电流在其周围的空间在其周围的空间产生产生磁场，磁场对放置其中的磁场，磁场对放置其中的电流电流施以作用力施以作用力。电流产。电流产生的磁场用生的磁场用磁感应强度磁感应强度描述。真空中描述。真空中稳稳恒电流恒