是谁发现了电磁感应定律

2015-10-1 09:19| 发布者: baowu1111| 查看: 3756| 评论: 0|原作者: 李晓龙

摘要: 是谁发现了电磁感应定律陕西师大皇家彩票网 李晓龙 一、问题的提出笔者在上中学及大学时,所使用的教材中学都写道,是法拉第发现了电磁感应定律,近三十年的中学物理教学中,所使用的教材中也都写道,是法拉第发现了电磁感 ...
是谁发现了电磁感应定律
陕西师大皇家彩票网   李晓龙

一、问题的提出
笔者在上中学及大学时,所使用的教材中学都写道,是法拉第发现了电磁感应定律,近三十年的中学物理教学中,所使用的教材中也都写道,是法拉第发现了电磁感应定律。而普通高中课程标准实验教科书人教版2010年4月第3版第15页写道,纽曼(F.E.Neumann,1798—1895)、韦伯(W.E.Weber,1804——1891)在对理论和实验资料进行严格分析后,于1845年和1846年先后指出,闭合电路中感应电动势的大小,跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比,后人称之为法拉第电磁感应定律。这就是说,笔者在上中学、大学及中学物理教学中所使用的教材学中对电磁感应定律的发现者都讲错了。那么,到底是谁发现了电磁感应定律?要回答清楚这个问题,须弄清法拉第(Michael Faraday,1791——1867)、楞次(Heinrich  Friedrich  Emil  Lenz1804——1865)纽曼、韦伯对电磁感应的贡献。
二、历史地回顾
1.法拉第对电磁感应的贡献
1820年,丹麦物理学家奥斯特(H.C.Oersted,1777-1851)发现了电流的磁效应,电磁热席卷欧洲,人们自然思考:既然电流能够产生磁场,反过来,磁场是不是能产生电流呢?不少物理学家都开始尝试怎样用磁体使导线中产生电流。在相当长的时间里,并没有得到预期的结果。
1821年英国哲学学报(Annal of Philosophy)杂志编辑约法拉第写一篇关于电磁问题的述评,这件事导致法拉第开始了电磁学的研究。
法拉第当时正在英国皇家研究所做化学研究工作。他原来是文具店学徒工,从小热爱科学,奋发自学。由于化学家戴维(H.Davy,1778-1829)的帮助,进到皇家研究所的实验室当了戴维的助手,1821年受聘为皇家研究所实验室主任。
法拉第一贯追求科学真理的结果,他和奥斯特一样,笃信自
然力的统一,早就在寻找“磁生电”的迹象了。
从1824年到1828年,法拉第多次进行电磁学实验。他仔细分析电流的磁效应,认为电流与磁的相互作用除了电流对磁、磁对磁、电流对电流,还应有磁对电流的作用。他想,既然电荷可以感应周围的导体使之带电,磁铁可以感应铁质物体使之磁化,为什么电流不可以在周围导体中感应出电流来呢?于是他做了一系列实验,想寻找导体中的感应电流,其中有:
线圈接电池通电,一根导线置于线圈近旁,导线两端接电流
计构成回路。结果在电流计中未发现感应电流。
令导线穿载流线圈而过,再接于电流计,也未发现感应电流。
再将导线绕成线圈置于载流线圈内,仍未发现感应电流……。
尽管“磁转化为电”的迹象还未找到,法拉第的信念始终没有动摇。他在实验日记里多次记录了不成功的尝试,顽强的意志跃于纸上。
经过十年坚持不懈地努力,1831年8月29日,法拉第终
于取得突破性进展。
这次他是用一个软铁圆环,环上绕两个互相绝缘的线圈A和B,如图1所示。法拉第在日记中写道:
 


“使一个有10对极板,每板面积为4平方英寸的电池充电。用一根铜导线将一个线圈,或更确切地说把B边的线圈的两个端点连接,让铜线通过一个距离,恰好经过一根磁针的上方(距铁环3英尺远)。然后把电池连接在A边线圈的两端;这时立即观察到磁针的效应,它振荡起来,最后又停在原先的位置上,一旦断开A边与电池的连接,磁针再次被扰动。
法拉第继续试验,注意到如果维持通电状态,磁针毫无反应。法拉第这才猛省,原来这类感应现象有特殊性,是和瞬间变化的过程联系在一起的。具体的说,这个实验的过程大致如下:法拉第把两个线圈绕在一个铁环上,线圈A接直流电源,线圈B接电流表,如图2所示。他发现,当线圈A的电路接通或断开的瞬间,线圈B中产生瞬时电流,法拉第发现,铁环并不是必须的。拿走铁环,再做这个实验,电磁感应现象仍然发生,只是线圈中的电流弱些。
法拉第怎样分析他的实验呢?他的思路大致如下:
第一,线圈B除了处在通电线圈A的磁场中,同A没有别的联系,所以B的感应电流只能由A的磁场引起。

第二,A中电流稳定因而周围磁场稳定时,B中没有感应电流,表明稳定的磁场不引起感应电流;只有当A通电或断电,它的电流变化引起周围磁场变化时,B中才有感应电流,这表明变化的磁场才能引起感应电流。

 

第三,磁场可以由磁感线形象地表示,B所在处的磁场发生变化时,穿过线圈B的磁通量发生变化,所以,感应电流的产生条件可以归结为穿过线圈的磁通量发生变化。
接着,法拉第又做了一个实验。他取来一根铁棒,在铁棒上绕以线圈,再和电流计相接。铁棒两端各放一根磁棒,如图3所示。当磁棒张合之际,电流计的磁针也不断摆动。
一个月后,法拉第对各项实验作了总结,向英国皇家学会报告说:产生感应电流的情况可以分为五类:1.变化中的电流;2.变化中的磁场;3.运动的稳恒电流;4.运动中的磁铁;5.运动中的导线。
法拉第由于其数学计算能力的薄弱,只是定性地用文字表述了电磁感应现象,从未得出,,原因很简单,当时用实验难以直接测量。
2.楞次对电磁感应的贡献
楞次主要从事电学的研究。1832年当他知道了法拉第研究“磁生电”取得了成功,很受鼓舞,也开始进行一系列电磁实验。1833年楞次在圣彼得堡科学院宣读了他的题为“关于用电动力学方法决定感应电流方向”的论文,指出感应电流的方向是这样确定的:它所产生的磁场方向与引起感应的原磁场的变化方向相反。这对充实、完善电磁感应规律是一大贡献。后被称为楞次定律,这一定律表明,电磁感应现象也是尊从能量守恒定律的。
3.纽曼对电磁感应的贡献
 1845年德国物理学家纽曼从楞次定律,即在磁场中移动一个导体环路要克服磁力作功这个 事实出发,认为如果要把一个导体环路从无限远移到磁场中某一位置,就 必须作出一定的功,他把这个功称为势。感应电流仅仅取决于由于运动引 起的这个势函数的变化。并在此基础上,在对理论和实验资料进行严格分析后,以定律的形式提出电磁感应的定量表达式,即感应电动势为:
其中A是纽曼最先提出的矢势函数:
4.韦伯对电磁感应的贡献
1846年德国的另一位物理学家韦伯继纽曼的电磁感应定律之后发展了安培(Andre-Marie Ampere, 1775-1836)的理论,他采纳了一年前费希纳(G.T.Fechner,1801—1887)提出的假说,把电流看成是由沿相反方向以相同速度运动的同样数量的正负电荷组成,在安培定律的基础上,提出一种假说,即认为导线中的电流是由正、负电粒子在两个方向上的运动构成的并在牛顿引力公式基础上建立了韦伯电作用公式,韦伯认为他的电动力学可以推导出安培电动力学推导不出的电磁感应规律,在对理论和实验资料进行严格分析后,进一步推导,可以引出安培定律和纽曼电磁感应公式。在此基础上总结出电磁感应的定量表达式,即感应电动势为:


是通过以闭合回路为边界的任意曲面的磁通量,式中的负号可用以确定闭合回路中感应电流的方向 。
三、结论
虽然电磁感应定律并非是法拉第亲自给出的,但由于他对电磁感应现象丰富的、开创性的研究,将这一发现的荣誉归于他的名下,他是当之无愧的。
综上所述,纽曼、韦伯发现了电磁感应定律,荣誉归于法拉第,所以称之为法拉第电磁感应定律。
四、对中学物理教学的启示
受应试教育的影响,在以往的物理教学中,人们过于注重知识本身的系统传授,而忽视了物理科学自身的科学方法论。当前我国基础物理教学中存在着只教知识结论,不教知识产生过程;只教科学家的研究结果,不讲科学家为何能做出这样的结果。这其中就有很多的科学精神与科学方法的东西被“简化”掉了。或许有人会说,这样的教学效率更高,如果什么都讲,皇家彩票网的教学任务如何完成?其实国外的中学物理教学一直都非常重视知识产生过程的描述,因为他们深知这样的描述是必不可少的,即使牺牲一些时间也是值得的。
物理科学方法是指人们在学习或研究物理问题的过程中发现问题、提出假说、搜集事实、做出解释论证等所遵循的途径和使用的手段,实际上是思维的方法和程序。物理学方法与物理学的研究相伴而生,物理学的发展也就是物理学方法的发展。因此物理学发展史也就是物理学方法的演化史。在物理学史教学中,让学生遵循前人科学发现和发明的思路来学习,学会科学研究的方法。具体地讲就是善于把学生推到若干年前,让他们从当时的科学背景出发去重温科学家们在什么问题上、什么环节、什么情况下、用什么方法和思路做出了科学发明和发现?把这些关键的步骤联系起来有助予学生掌握物理学家们在发现问题、研究问题、分析问题、解决问题、探索真理过程中运用的科学思维方法。
尽管我国新一轮基础教育课程改革后的新教材从形式到内容都开始重视物理学史内容的介绍,但是具体的课堂教学中,人们对于物理学史内容的重视程度是不够的,因此,皇家彩票网需要研究如何充分利用现行物理教材中的物理学史素材,将其融入课堂教学,从知识与技能,过程与方法,情感、态度与价值观这三个方面推动学生的发展。
物理学史对提高学生科学素养、培养创造素质、沟通科学与人文、培养学生的思想品德都有重要作用;物理学史集中体现了人类探索和逐步认识物理世界的现象、特性、规律和本质的历程,蕴涵着丰富的认识论和方法论因素。物理学史和中学物理教学结合成为当前物理教学改革的中心议题之一。深入研究这一课题对构建面向世界、面向未来的我国物理教育体系,促进教学内容和课程体系的改革具有重要的现实意义。
参考文献:
(1)赵凯华,陈熙谋.电磁学.北京:人民教育出版社.1978.7.
(2)广仲彻,物理学史. 北京:求实出版社.1988.5.
(3)戴念社译. 物理学史.北京:人民大学出版社.2010. 4.
(4) 郭奕玲,沈慧君.物理学史. 北京: 清华大学出版社.2011.1 .
(5)仲扣庄,物理学史教程.江苏:南京师范大学出版社.2012.5.
(6)张文杰,曹阳.大学物理教程. 北京:中国农业大学出版社.2009.12.
(7)袁玉珍,武步宇,陈钦生.大学物理. 北京:科学出版社.2011.1.
 

备注:本文发表于中学物理教学参考2012年第11期

 
 
 
 
 
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