一麦克斯韦.ppt

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1、一、麦克斯韦,从出生地来说他属于爱丁堡，从功绩上来说他属于全世界。普朗克,第三节 经典电磁理论的建立,历史背景:法拉第的电磁感应规律已产生。当时电磁学已建立四大定律：库仑定律、高斯定律、法拉第定律、安培定律，这已成为电磁学理论取得突破性发展的重要基础。W.汤姆孙利用傅立叶的热分析方法，把法拉第的力线思想和拉普拉斯、泊松等人建立的完整的静电理论结合在一起，初步形成电磁作用理论。,麦克斯韦(1831-1879)简介英国物理学家、数学家。6月13日出生时，8岁时，母亲去世，在父亲的诱导下学习科学，16岁时进入爱丁堡大学，1850年转入剑桥大学研习数学，1854年以优异成绩毕业于该校三一学院数学系，并

2、留校任职。1856年到阿伯丁的马里沙耳学院任自然哲学教授。1860年到伦敦任皇家学院自然哲学及天文学教授。1865年辞去教职还乡，专心治学和著述。1871年受聘为剑桥大学的实验物理学教授，负责筹建该校的第一所物理学实验室卡文迪许实验室，1874年建成后担任主任。1879年第11月5日在剑桥逝世，终年只有49岁。,虽然只活了49 岁，但他却写了100多篇有价值的论文。麦克斯韦是一位可以与牛顿、爱因斯坦相提并论的科学家,（二）、建立电磁场理论的工作“把数学分析和实验研究联合使用所得到的物理知识，比之一个单纯实验人员或单纯的数学家能具有的知识更坚实，有益和巩固。”-麦克斯韦,1.1856 年，麦克斯

3、韦发表了论法拉第力线一文，受到法拉第的赞赏。法拉第说：“我惊讶地看到，这个主题居然处理得如此之好”，麦克斯韦在文中认为法拉第将磁现象归结为力和场的观点，是一种更合适的科学语言。文中采用了类比法，将流线的数学表达式应用到静电理论中。2.1860年，70岁的法拉第和30岁的年轻人麦克斯韦见面了，建立电磁理论的共同心愿超越了年龄的鸿沟，法拉第对麦克斯韦说:“你不要停留在用数学来解释我的观点上，而应该突破它。”,1861年，麦克斯韦写了论物理力线，提出:一个关于力线的机械模型，即电磁以太模型。创造性地提出位移电流和涡旋电场的两大重要假设。提出光波就是电磁波的理论：“光本身乃是以波的形式在电磁场中按电磁

4、规律传播的一种电磁振动。”将电、磁、光理论进行了一次伟大的综合。3.1865年，发表了电磁场的动力学理论，用场的观点总结了电磁理论，构建了全新的理论框架。,4.1873年，麦克斯韦出版了电磁学通论一书，进一步将电磁学实验规律和定理定律，综合概括在一个方程组中，以简洁的数学结构，揭示了电场和磁场内在的完美对称。电磁学通论是人类第一个有关经典场论的不朽之作。1874年，麦克斯韦任卡文迪什实验室首任主任.临终之际，他仍坚信自己的预言电磁波理论，一定会插上翅膀飞向全球。,1879年11月5日，麦克斯韦因癌症不治去世，终年49岁。物理学史上一颗可以同牛顿交辉的明星坠落了。他正当壮年，却不幸夭折，这是非常

5、可惜的。他的理论为近代科学技术开辟了一条崭新的道路，可是他的功绩生前却未得到重视。直到他死后许多年，在赫兹证明了电磁波存在后，人们才意识到他是自牛顿以来最伟大的理论物理学家。,（三）、科学成就总结麦克斯韦自幼聪颖，15岁就发表过数学论文，一生从事过许多方面的物理学研究工作:1麦克斯韦在物理学中的最大贡献是建立了统一的经典电磁场理论和光的电磁理论，预言了电磁波的存在。1873年，麦克斯韦完成巨著电磁学通论，这是一部可以同牛顿的自然哲学的数学原理相媲美的书，具有划时代的意义。2麦克斯韦在电磁学实验方面也有重要贡献。他建立了实验验证的严格理论，并重复卡文迪许的实验，将实验精度提高了3个数量级。他的验

6、证理论成为后世精确验证静电力平方反比定律的依据。此外他还发明了麦克斯韦电桥。,3麦克斯韦在分子动理论方面的功绩也是不可磨灭的。他运用数学统计的方法导出了分子运动的麦克斯韦速度分布律。还研究过土星的光环和视觉理论，创立了定量色度学。他负责建立起来的卡文迪许实验室，在他和以后几位主任的领导下，发展成为名闻世界的学术中心之一。在其短暂的生涯中，麦克斯韦迈出了物理学中从未有人走过的最重要的几步，他的成就无论在深度和广度上都可以和爱因斯坦相比拟，甚至难以想象，如果不是受到麦克斯韦工作的启发，爱因斯坦会取得那么巨大的成功。,爱因斯坦在自传中说：“在我求学的时代，最吸引人的题目就是麦克斯韦的理论”，“特殊的

7、相对论起原于麦克斯韦的电磁场方程”。1931年，在纪念麦克斯韦诞生100周年时，爱因斯坦把麦克斯韦的电磁场贡献评价为“自牛顿时代”以来物理学所经历的最深刻最有成效的变化。”,（四）、麦克斯韦成功的基本要素1.寻找不同现象之间的联系，对电光磁建立了统一的理论解释。2.在科学发现中重视科学方法的应用。麦克斯韦曾写道：“为了采用某种物理知识而获得物理思想，我们应当了解物理相似性的存在。利用这种类似，可以用其中之一，说明其中之二。”,3.想象力丰富，大胆猜测假设。科学家也需要幻想，幻想不只是文学家的事。郭沫若4.知识底蕴丰厚。5.对理论完美和谐的不懈追求。麦克斯韦认为：自然界是和谐的，一种反映自然规律

8、的理论，如果框架上不完善，不和谐，也就意味着要进一步改进和探索。,（五）、意义 经典电磁理论的确立，成为人类改造自然，提高生产力的有力杠杆。据载，科技利用程度较高的生产率比之单纯手工业生产率在1770年为4：1，而在电气工业出现后这个比例为108：1。电磁学理论的成功，说明了科技是第一生产力。,二、电磁波的发现,尽管麦克斯韦理论具有内在的完美性并和一切经验相符合，但它只能逐渐地被物理学家接受。劳厄,（一）、赫兹(1857-1894):德国物理学家 1857年2月22日生 1878 年是基尔霍夫和亥姆霍兹的学生，1880年获柏林大学哲学博士学位。18851889年任卡尔斯鲁厄工业学院物理学教授时

9、，在实验室产生了无线电波，测量了波长和速度。1889年到波恩大学任教.在该校继续研究稀有气体中的放电。1894年因血中毒而去世，年仅37岁。,（二）、电磁波的发现赫兹以前，由法拉第发现、麦克斯韦完成的电磁理论，因为未经一系列的科学实验证明，始终处于“预想”阶段。把天才的预想变成世人公认的真理，是赫兹的功劳。赫兹在人类历史上首先捕捉到电磁波，使假说变成现实。1879年德国柏林科学院悬奖征解，向当时科学界征求多麦克斯韦电磁理论进行实验验证，促使年轻的赫兹萌发了进行电磁波实验的雄心壮志。,1886年，赫兹作成电磁波检验器并宣布“电磁感应是以波动形式在空气中传播的。”赫兹在1888年证明了电磁波的存在

10、。1888年12月13日，赫兹向柏林科学院作了题为论电力的辐射的报告，他以充分的实验证据全面证实了电磁波和光波的同一性。这样由法拉第开创，麦克斯韦建立，赫兹验证的电磁场理论向全世界宣告了它的胜利。,插曲：比赫兹实验早七年，戴维也接收到了电磁波信号，他随即向英国皇家协会会长G斯托克斯汇报，但斯托克斯认为这只是普通的电磁感应现象，戴维过于迷信权威，对于这一天赐良机未与重视，使发现被埋没了。,（三）、成果 发现电磁波产生的巨大影响，连赫兹本人也没料到。在他发现电磁波的第二年，有人问他，电磁波是否可以用作无线电通讯，赫兹不敢肯定。赫兹研究电磁波无意中丢下的种子，却很快在异地开花结果了。在发现电磁波不到

11、6年，意大利的马可尼、俄国的波波夫分别实现了无线电传播，并很快投人实际使用。其他利用电磁波的技术，也像雨后春笋般相继问世。,无线电报（1894年）、无线电广播（1906年）、无线电导航（1911年）、无线电话（1916年）、短波通讯（1921年）、无线电传真（1923年）、电视（1929年）、微波通讯（1933年）、雷达（1935年），以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天文学它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。赫兹关于电磁波的实验，为无线电技术的发展开拓了新的道路，构成了现代文明的骨架，后人为了纪念他，把频率的单位定为赫兹。,三、麦克斯韦电磁理论的发展,麦克斯韦电磁理论的提出，揭开了电磁学发展史中

12、新的一页。但这一理论还有不完善之处，其最大的问题是它只限于讨论空间的电磁作用，回避了电磁作用的源头，而这正是超距电动力学的核心。因此，在它提出之初，就遭到质疑。1870-1890年间，亥姆霍兹和赫兹师生对麦克斯韦的理论进行了系统的研究，对麦氏方程组进行了改造。,赫兹的研究工作对后人有重要的影响。洛伦兹就是在赫兹的启发下开始对电磁学基本问题进行研究的。洛伦兹在1892年发表了麦克斯韦电磁学理论及其对运动物体的应用，对麦克斯韦理论作了重大的修正，由此提出经典电子论。他把电磁波进过物质时呈现的各种宏观电现象，都归结为电磁波与物质中的电子相互作用的结果。电子在磁场中受到的作用力，我们把它叫洛伦兹力。洛

13、伦兹还用电子论解释了光的反射和折射、光的色散和金属对光的吸收等问题。这些都是麦克斯韦没有解决的问题。由洛伦兹巧妙地把超距的电动力学和无源的电磁场理论综合到了一起。,爱迪生发明电灯,*发明家爱迪生（1827-1931）,1.爱动脑筋由于爱提一些问题，老师不喜欢他，只上三个月就退学了，由母亲教他。但爱迪生自强不息，方法得当，一生在专利局的发明就有1328项，平均15天就有一项发明问世。比如，他常想声音能使细针颤动，反过来针的颤动能否变成声音？正是采用正确的逆向思维的方法，在1877年12月6日，爱迪生发明了留声机。1879 年10月研制出电灯，另外蓄电池，电影等都是爱迪生发明的。,2.1929年10月21日，爱迪生由美国总统亲自搀扶，参加要会，厅内各个角落的电灯大放光明，爱迪生说:“我这一生行将结束，我的人生哲学是工作，我要大胆揭示大自然的奥秘，并以此为人类造福。”,问题：1、法拉第在物理学上有哪些成就？你怎么看待法拉第的成就？2、麦克斯韦是怎样建立经典电磁理论的？（他主要采取怎样的研究方法？）,