物理学发展札记——电学部分

物理学发展札记——电学部分【我国古代的电学和磁学知识】对雷电的认识我们的祖先对大自然中的雷电现象早已十分注意，并细致地观察。远在公元前1500年的殷商时期留存下来的甲骨文中，就有“雷”字；西周时期的青铜器上也出现了“电”字，显然这里的“电”是指闪电。关于雷电的成因和本质，我国古代的学者也进行了探讨，有不少独特的见解。西汉时的《淮南子·坠训形》中就有“阴阳相薄为雷，激扬为电”的记载，表示阴阳两气彼此相迫产生雷，相互急剧作用产生电。王充在《论衡·雷虚篇》中对雷电成因也作了解释，认为“盛夏之时，太阳用事，阴气乘之。阴阳分争，则相校轸。校轸则激射。”表明夏天阳气占支配地位，阴气与之相争，发生碰撞、摩擦、爆炸和激射，从而形成雷电。唐代《左传》“疏”中明确指出：“电是雷光”。宋代更有人认为，阴阳相激，“其光为电，其声为雷。”与此相联系，早在三国和南北朝时，我国古籍上就有“避雷室”的记载，表明当时我国已有了避雷的措施。直至唐代，建筑物上都装有各种形状的避雷装置。表明当时人们对尖端放电现象也有了认识。对静电的认识对静电现象的发现和认识，和西方一样，我国也是很早的。西汉末年的《春秋纬·考异邮》中就有“■（玳）瑁吸■”的记载。王充的《论衡·乱龙篇》中有进一步的记载：“顿牟（即玳瑁）掇芥，磁石引针，皆以其真是，不假他类。他类肖似，不能掇取者，何也？气性异殊，不能相感动也。”意思是说，经过摩擦了的玳瑁（琥珀）能吸引芥籽，磁石能吸引钢针，这是因为它们之间的“气性”相同，能相互感动；其他看起来与芥籽、钢针相似的东西，但因与玳瑁、磁石的“气性”不同，所以不能相互感动。东晋的《山海经图赞》中也有类似的记载，即“慈石吸铁，■瑁取芥，气有潜感，数有冥会。”也把静电和静磁并列，同时认为是某种“数”在起作用。西晋时张华（232—300）撰写的《博物志》中有这样的记载：“今人梳头、脱着衣时，有随梳、解结有光者，也有咤声。”意思是说梳头、穿脱衣服时，常发生摩擦起电，有时还能看到小火星和听到微弱的响声。对静磁的认识在我国，对静磁现象的认识，比对静电现象的认识还要早。公元前3世纪的《吕氏春秋·精通》中记载着“慈石召铁，或引之也。”东汉的《吕氏春秋注》中写道：“石，铁之母也。以有慈石，故能引其子。石之不慈者，亦不能引也。”明确提出慈（即磁）石能吸铁。磁石吸铁的应用，在古籍中也有记载，如秦始皇为了防备刺客暗杀，用磁石建造阿房宫的北阙门。天然磁石在医疗中也有应用，如《史记·扁__鹊仓古列传》中就有“齐王侍医遂病，自炼五石服之”的记载，“五石”中就包含磁石。司南和指南针的发明司南是我国指南针的最初形式，它是我国古代人民四大发明之一。最早的记载是在公元前3世纪战国末年《韩非子·有度》中，记有：“故先王立司南，以端朝夕。”“司南”就是指南器，“端朝夕”就是正四方的意思。《鬼谷子·谋篇》里也有“郑子取玉，必载司南，为其不惑也”的记载。“为其不惑”即是为了不迷失方向的意思。东汉的王充在著作中作了较具体的描述：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”文中的“杓”是勺子，“地”是中央光滑的地盘，“柢”是勺的长柄。我国科学史家王振铎根据古籍的记载，发掘古墓的结果，复原出古代司南的原型。它是用天然磁石琢制成勺形的指南仪器，其形状像家用的汤匙，底部呈球形；地盘是用青铜制成的，中央光滑，由磁石琢成的司南在光滑的地盘上可以比较自由地转动；地盘的四周刻着“八干”（甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸）、“十二支”（子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥）和“四维”（乾、坤、巽、艮），共24向。实际上，司南和地盘接触时，摩擦较大，效果不佳，应用受到影响。后来便发明了指南鱼。在曾公亮主编的《武经总要》前集卷十五中就记载有指南鱼的制作方法及其应用。根据记述，可以发现指南鱼是用人工磁铁做成的，而人工磁铁是利用地磁场进行人工磁化的，指南鱼放在水面上，转动时的摩擦比司南与青铜地盘之间的摩擦要小得多。北宋时期的沈括（1031—1095）在《梦溪笔谈》中就有不少关于静磁现象和指南针的记载。该书卷二十四《杂志一》中记有：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。水浮多荡摇，指爪及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬为最善。其法取新纩中独茧缕，以芥子许蜡，缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。”这段记载首先指出存在着地磁偏角（“常微偏东，不全南”），也就是说发现并测定了地磁子午线和地理子午线之间的夹角。接着讲了指南针的4种装置方法，即浮在水面、放在指甲上或碗唇沿上，同时指出这3种方法的不足之处，接着详细记述了第4种用茧丝悬挂的办法，并认为这是一种最好的装置方法。【吉尔伯特和《磁学》】吉尔伯特（WilliamGilbert，1544.5.24—1603.12.10）是英国物理学家，也是一位医生。在物理学上的贡献主要是研究磁的性质，并提出地球的作用好像是一个大磁体的理论。1600年，吉尔伯特发表了题为《磁体、磁性物质和地球大磁体的新科学》的著作，详细地叙述了磁石的吸引和排斥、指向南北的性质、磁偏角和磁倾角等。明确指出，磁石具有天然的两极，一个北极，一个南极，它们是磁石中的两个确定点，是一切运动和效应的发端。同时又指出，磁石的力不是从数学上所谓的点发出的，而是从磁石各部分本身发出的。这些部分靠极越近，则所具的力越强，而施加于其他物体的力也越大。吉尔伯特认为，磁石指向南北的原因是地球本身，地球就是一个大磁石。为了证明这一思想，他用天然磁石加工成球形，模拟地球，并将许多小磁针放在上面，它们的指向与在地面上不同位置的指南针的指向相仿。他又提出，如果把磁针排列的方向用粉笔画在球形磁石上，就会形成一些子午圈，它们会聚到磁石上两个相反的端点，这就是“磁极”。吉尔伯特还研究了天然磁石的吸引力与琥珀吸引力的区别，并首先提出“电”、“电力”、“电吸引”等概念，并对电力和磁力作了比较。他认为，磁石总能吸引磁体（或铁），而琥珀要摩擦后才能吸引物体；磁石有两个区域吸引磁体（或铁），而琥珀摩擦后吸引物体时总是朝着一个中心区域。【富兰克林和风筝实验】富兰克林（BenjaminFranklin，1706.1.17—1790.4.17）是美国的科学家，他对电学研究很感兴趣，提出了电的单流体学说，为我们留下了正电、负电这两个名称。而影响更大的还是他做的风筝实验。1752年10月16日富兰克林给伦敦友人柯林先生的信中描述了这一著名的实验。信中这样写道：“用两根轻便的杉木条做一个十字架，架的四支杆须能伸到一张铺开的大而薄的丝绸手帕的四角，将手帕各角扎在枝杆端上，形成一个风筝本体，再加上尾巴、环和线，就可以飞向天空，如同纸质风筝一样，不过因为这一风筝是用绸做成的，所以它能经受住雷雨的风吹雨打，而不致于被撕裂。在上枝杆末端安装一根伸出木杆之外约一英尺的尖端金属丝，在手与麻绳之间系上一根丝带，再在绳与带连接处安装一个栓。这种绸风筝应该在雷雨将来临时升上天空，牵线的人必须站在门内或窗内，或者在有遮蔽的地方，以免丝带受湿。还需注意，不能让麻绳触及门框或窗框。一旦丝绸风筝的上空出现雷雨，那根尖端金属丝就会从那里取得电火，于是这一风筝连同麻绳都带电了，麻绳上未捆紧的纤维都向各方突出，用手指接近时，它们就受到吸引。当风筝和麻绳全被淋湿时，它便能自由传导电火，倘若你将手指接近它，电火将从栓子大量涌出。你可以在栓上安放一个小玻璃瓶来充电。这样获得的电火可以点燃酒精，可以用来进行所有其他的电实验，这些实验也可以用摩擦过的玻璃球或玻璃管来做。带着闪电的物体和带电的物体之间相同之处完全显示出来了。”这一实验充分证明，“天电”与摩擦产生的电之间没有区别，是同一种物理现象。【诺雷脱和莱顿瓶】诺雷脱（JeanAntoineNollet，1700.11.19—1770.4.24）是法国物理学家，主要研究静电现象。1746年，诺雷脱发表了论文“某些新的电现象的观察”，其中就叙述了莱顿瓶的发明经过。文章中引了莱顿大学物理学教授莫兴布罗克（PietervanMusschenbroek，1692—1761）的一封信，信中描述了实验情况：用两根兰色的丝线吊起一个枪筒，一端附近放一个玻璃球，并使其绕轴转动，同时用手在它上面摩擦，并使所起的电传到整个枪筒。在枪筒的另一端随便吊着一根铜丝，铜丝末端插入一个盛有一部分水的长颈玻璃瓶。用右手摸该瓶，用左手吸引来自带电枪筒的火花。忽然间，右手遭到了猛击，全身好像触了电击一样。玻璃瓶虽然很薄，可是没有破裂，手也没有因此而移位，但是手膀和全身都有一种说不出苦的感觉。这一实验结果，引起了很多人的兴趣，轰动了3个月。诺雷脱重复了这样的实验，他发现任何玻璃仪器，只要是很干燥的，都可以获得这样的实验结果。【库仑和扭秤实验】库仑（Charles-AugustindeCoulomb，1736.6.14—1806.8.23）是法国工程师、物理学家。对物理学的主要贡献是测定电力，建立库仑定律。库仑在1785年给法国科学院的“电力定律”论文中写道：“根据金属丝扭力的反作用与其扭角成正比的性质而制成的扭秤，用该秤对同性带电体相斥定律的实验进行测定。”同时表示“将根据同一原理制造的电秤奉呈科学院，无论物体带电如何微弱，该秤都能非常精确地量度一物体的状态和电力。”库仑制造的电秤的构造是：在一个直径和高度均为12英寸的玻璃圆筒上，盖一块直径为13英寸的玻璃板，板的正中钻有一孔，并装上高为24英寸的玻璃管，管子上端装有扭转测微计。端部中间有一只夹子，夹持一根极细的银丝，银丝连着一根浸过西班牙蜡的麦杆，杆的一端有一小木髓球，另一端贴一小纸片与之平衡，使麦杆呈水平位置，这一部分都装在玻璃筒内。在玻璃盖板上另开有侧孔，孔内放入另一只小木髓球，它可以与麦杆上的小木髓球接触。这样，只要使侧孔处的小木髓球带电，然后与麦杆上的另一只小木髓球接触，两只小球就带同种电荷，相互排斥而分开，银丝就呈现扭转。多次实验结果表明，扭转角的大小与扭力成正比，由实验数据可知，斥力的大小与距离的平方成反比。为了测量异种电荷间的引力，库仑借鉴力学实验，设计了一种电摆来加以解决。实验结果表朋，吸力同样与距离的平方成反比。【从鱼生电到电流的发现】在19世纪以前，对电学的研究，尽管已出现了某些定量的定律（如库仑定律），也开始研究“动态”的问题，但基本上是以定性研究为主，以“静态”现象的研究为主。电流的发现，使电学的研究进入了一个新的阶段。从很早时候起，人们已经知道几种水生动物有引起电击的能力。当莱顿瓶发明以后，人们就开始考虑莱顿瓶的放电和这些水生动物的电击是否有什么类似性或内在联系。18世纪中叶，有一条英国船上的人们带了几条具有电击能力的鱼回伦敦，于是生物学家、生理学家对它们进行研究。结果发现，只有当你用双手同时去接触鱼的头部和下部时，才会受到电击，人们称这种鱼为电妖鱼或电鳗。后来又证明这种鱼能用来给莱顿瓶充电。这时，人们才相信这种电击也是一种放电现象。鱼生电的现象，引起了意大利生物学家伽伐尼（LuigiGalvani，1737.9.9—1798.12.4）的极大兴趣和注意，因为他当时正在研究青蛙腿的肌肉收缩现象。有一次，他偶然发现，用铜钩子挂在他家阳台铁栏杆上的几只蛙腿，碰到栏杆的铁条时，突然会跳动起来，仿佛活的一样。为此，伽伐尼加强了控制条件，于1786年9月20日又做了一个实验：用一把叉子（一个叉尖是铜的，另一个是铁的）去碰蛙腿的神经和肌肉，每碰一次，蛙腿都立即收缩一次。此时，伽伐尼相信，这个现象与电鳗的电击是类似的。进一步的实验，使他感到神经中有电源存在。于是他撰写了题为“肌肉运动中的电力”的论文，阐述了自己的见解。1792年，伽伐尼又简单地应用两种不同金属组成的环和蛙腿接触，蛙腿也引起痉挛。这便是第一个伽伐尼电池。由于这一观点是论述生物体中的问题，对物理学家们没有什么大的影响，所以对物理学也没有引起什么大的变化。但是，有一个物理学家注意了这个工作，那就是意大利物理学家伙打。伏打（AlessandroVolta，1745.2.18—1827.3.5）是一位实验物理学家，对电学的发展作出了贡献，主要是研究金属接