转化为一定量的其他形式的运动的能力来量度的机械运动。也就是说，m?

“持续的机械运动”，就是运动的变化只局限于机械运动的范围中，不发 生运动形式的变化；所谓“消失了的机械运动”，即指机械运动不再保持 原来的运动形式进行传递，它作为机械运动的形式消失了，而以相当的其 他运动形式的能量（如热能、光能、电能等）出现。也即表示有运动形式








械运动。
【卡文迪许和引力恒量的测定】 卡文迪许（HenryCavendish，1731.10.10—1810.2.24）是英国化学家、
物理学家。在物理学上的一大贡献即是在他的晚年做了扭秤实验，由此测 出引力的大小，并推算出地球的密度。
　　扭秤实验的仪器是简单的，但卡文迪许的考虑是很周密的。他采用一 根分量轻而强度高、长为 6 英尺的木棒作为臂，用一根 40 英寸长的细金属 丝将该木臂水平悬挂起来，木臂两端各悬一个直径大约为 2 英寸的铅球。 为了避风，全部仪器放在一个窄小的木箱内。在实验过程中，除了扭转悬 丝所需要的力以外，不应该有其他的作用力使木臂沿其中心转动，这样就 可保证实验的精确性。他还采用两个直径为 8 英寸的铅球，分别与悬挂在 木臂两端的小铅球尽可能的接近。铅球之间的引力作用使悬丝扭转。从悬 丝的扭转角度，可测出这些球之间的相互吸引力。根据万有引力定律，便 可以算出引力恒量 G。再由此推算出地球密度。卡文迪许做了很多次实验， 几十次的测量、计算，其平均结果表明地球的密度比水的密度大 5.48 倍， 其误差约为 14%，这一结果与现代测得的数值 5.518 很接近。
【海王星的发现和火神星之谜】
1781 年，英国天文学家威廉·赫歇耳（WilliamFrederickHerschel，
1738—1822）发现了天王星，其实这颗星体很早已在当时天文学家的观测、 研究之中，只是过去认为它是一颗恒星。1821 年，法国经度局要编制木星、 土星和天王星的星历表。编制者利用建立在万有引力定律基础上的大行星 摄动理论来计算这 3 颗行星的位置和轨道。发现木星与土星的理论计算结 果与实际观测符合得很好，而天王星则很不理想。按 1781 年以前的观测资 料计算的轨道与按 1781 年以后观测资料计算的轨道完全是两个不同的椭 圆轨道。是 1781 年以前的观测资料不准确，还是存在一个大行星的摄动， 使天王星改变了运动的轨道呢？时过不久，1830 年以后天王星星历表上计 算出来的位置又与观测实际误差达 20″，并且误差越来越大，到 1845 年， 误差竟达到 2'之多。当时大多数天文学家并不怀疑观测资料的准确性，而 认为存在一颗行星，它影响着天王星的运行轨道。但也有一些天文学家， 则怀疑大行星摄动理论的正确性，这一理论的基础是万有引力定律。然而，

有两位年轻的天文学家则坚信万有引力定律是正确的，一位是英国的亚当 斯（J.C.Adams，1819—1892），另一位是法国的勒威耶（U.J.J.Leverrier，
1811—1877），他们各自独立地用大行星摄动理论来预测天王星轨道外面 的那颗未知行星的位置。
1844 年，年仅 25 岁的亚当斯便开始思考这个问题，试图根据摄动理 论反推未知行星的位置、轨道和质量。这一反推的理论计算是非常困难的， 过去从来没有人做过这样的计算工作。亚当斯于 1845 年第一个算出这颗未 知行星的轨道和质量，并将结果分别报告了剑桥大学天文台台长和格林威 治天文台台长，但没有能引起他们的重视，报告也被压着没能发表，更没 能用天文观测来加以证实。1846 年，勒威耶 35 岁，也开始研究这个问题， 他是在巴黎天文台台长的请求下开始寻找这颗未知行星的。他根据理论值 和观测值，进一步推算出这颗未知行星的质量、位置以及它的轨道，并于 当年的 6 月 1 日、8 月 31 日公布了研究的结果，后在 9 月 18 日将推算结 果寄给了柏林天文台的伽勒（J.G.Galle，1812—1910）。伽勒收到信后立 即进行观测，按勒威耶的推算结果，在相距不到 1°的地方找到了这颗行 星。巴黎天文台台长知道这一消息后，非常高兴，并建议把这颗行星命名 为勒威耶星。后来还是按照传统的方式命名为海王星。这一消息传到英国 后，才引起天文学家对亚当斯一年前发现的重视，但为时已晚。经过好几 年的争论，最后天文学界承认海王星是两位天文学家各自独立地发现的。 海王星发现 15 年之后，1859 年，勒威耶首先观测到水星绕太阳每公 转一周，近日点的位置就有微小的改变，这种现象称为“进动”。按照牛 顿力学理论，水星绕太阳作椭圆运动的轨道应该是重复的，现在发现了近 日点的进动现象，同时每百年进动 5600 弧秒。考虑到金星对水星的吸引及 其他各种因素，可以解释 5557 弧秒，余下的 43 弧秒就无法解释。当时有 不少天文学家仿照海王星发现的“经验”，假设在水星与太阳之间还有一 颗行星，由于它对水星的吸引而造成这一进动。这颗行星虽然还未找到， 但已经命名为“火神星”。经过一段时间的观测，没能找到这颗行星，就
形成了“火神星之谜”，困惑了不少天文学家。1916 年，爱因斯坦
（A.Einstein，1879—1955）建立了广义相对论，这一理论可以解释水星 近日点进动现象，理论计算值为 43.03 弧秒。这一结果，一方面解释了水 星近日点的进动，另一方面水星近日点进动 43 弧秒的结论，成为广义相对 论的第一个验证。

（二）热学部分


【我国古代的热学知识】
对于冷和热的认识
　　温度是热学中极为重要的一个概念，通常表示物体冷热的程度。我国 古代就已经认识到较冷的物体和较热的物体之间的区别，开始掌握了降温 术和高温术。在烧制陶器和冶炼过程中，工匠凭“火候”、火的颜色，来 定性地判断温度的高低。《淮南子》中曾记载“见瓶中之冰而知天下的寒 暑”，表明已能从水的物态变化来判断气温的高低。西周初期，古人已经 将冬季的天然冰，在春夏时，用来冷藏食物和保存尸体。由于冶炼业的发 展，古人已经掌握了获得高温（摄氏千度以上）和利用高温的技术。
　　宋代，已有制造保温器的记载，其中最精彩的当推“伊阳古瓶”。南 宋洪迈（1123—1202）的《夷坚甲志》中写道：“张虞卿者文定公齐贤裔 孙，居西京伊阳县小水镇，得古瓦瓶于土中，色甚黑，颇爱之。置书室养 花，方冬极寒，一夕忘去水，意为冻裂，明日视之，凡他物有水者皆冻， 独此瓶不然。异之，试之以汤，终日不冷。张或为客出郊，置瓶于箧，倾 水沦（yuè）茗，皆如新沸者。自是始知秘，惜后为醉仆触碎。视其中，与 常陶器等，但夹底厚二寸。有鬼热火以燎，刻画甚精。无人能识其为何时 物也。”这实际上是最早的保温瓶，其原因是有夹底，防止了热传导。
对水的物态变化的认识
　　露、霜、雨、雪与生活、农业生产息息相关，所以我国古代对此早有 认识。在周代的《诗经》里，就有“白露为霜”的诗句，表明古人已认识 到霜是白色的固态的露。对雨、雪的形成问题在古籍中也有记载，如战国 时期的《庄子》一书中就有“积水上腾”的提法，表示水受热蒸发成水气 而上升，指出了降雨的前提条件。
　　对露、霜、雨、雪和温度的关系，王充在《论衡》的《说日篇》中已 有记载：“云雾，雨之微也，夏则为露，冬则为霜，温则为雨，寒则为雪。 雨露冻凝者，皆由地发，不从天降也。”并在《感虚篇》中还进一步说明： “夫云出于丘山，降散则为雨矣。人见其上而坠，则谓之天雨水也。夏日 则雨水，冬日天寒则雨凝而为雪，皆由云气发于丘山，不从天上降集于地， 明矣。”并认为“寒不累时则霜不降，温不兼日则冰不释。”由此可见， 王充对露、霜、雨、雪的认识，比较正确地反映了自然界中的热现象和物 态变化，并认为物态变化与热量的积蓄有关。
　　关于露、霜的成因，东汉蔡邕曾明白地指出：“露，阴液也。释为露， 凝为霜。”这里的“阴液”就是水液的意思。在《五经通义》中也认为， 霜是“寒气凝结”出来的，是在地面上形成的，并非从天空中降下来的。 了解了霜的成因后，人们就想办法来对付它。农业生产中如何防霜在古籍 中也早有记载，如北魏时期的贾思勰撰写的《齐民要术》中就有记载：“天
　　
雨新晴，北风寒沏，其夜必有霜。此时放火作■（yūn），少得烟气，则免 于霜矣。”这是很合乎物态变化道理的。表明为了防霜，烧些柴草，使之 成为没有火焰的烟堆（“■”），其作用之一是提高地面附近的气温，作 用之二是使地面蒙上一层薄薄的烟尘，起到隔热作用，这样就可以防止霜 冻了。
对热的本性的认识
　　热是什么？殷商时期形成的“五行说”中，就把火看成是构成宇宙万 物的基本元素之一。在古代，人们往往把火和热等同起来。墨家则认为， 火是包含在木里面的，“火”元素离开木，木便燃烧起来（“火离，然。”）， 这种观点很像 18 世纪初流行于西方的燃素说观点。
　　除此以外，也有用运动的观点来解释冷热的，如唐代柳宗元在《天对》 中曾提到“吁炎吹冷”的观点，认为元气缓慢地吹动时，便造成炎热的天 气，元气迅疾地吹动时，则造成寒冷的天气。把冷、热和元气运动的快慢 联系起来，已有了把冷、热与物质运动关联的萌芽。
对热能的利用
　　我国古代人们通过周密的观察，发现水总要往低处流，热气总是向上 升，就产生了利用热气向上的力量使物体上天的设想。相传在公元前 140 年至前 88 年期间，汉武帝时淮南王刘安（公元前 179—前 122）等写的《淮 南万毕术》中就有“取鸡子，去其汁，然（即燃）艾火纳空卵中，疾风因 举之飞”的记载，这可称之为“热气球”。当然根据实践和计算结果，这 东西是飞不起来的，但它表明我国古代人们对利用火所产生的热空气举起 重物已有了可贵的设想，并进行过试验。到了五代，热能还应用在军事通 信方面，即利用热空气浮升原理制作信号灯。相传莘七娘在某次作战时， 曾用竹篾扎成架子，糊上纸，做成灯笼形，下面用松脂点燃，利用热空气 上升的力量，使灯飞上高空，作为军事信号，当时称“松脂灯”。到南宋 时期，在范成大的《石湖居士诗集》中曾写道：“掷烛腾空稳”，并注曰： “小球灯时掷空中”。这种小球灯，即为民间传说的“孔明灯”。至于走 马灯的制作和描绘，在不少古籍中均有记载。
　　由于我国古代火药发明得早，对火药的利用也就比较早，从目前所掌 握的资料来看，唐末宋初时期，就把火药用到武器制造上，已能制造火药 炮。火药炮就是把火药包成容易发射的形状，把火药包点燃后，放在抛石 机上抛出去，其威力比石炮要大得多。北宋的曾公亮（999—1078）编著的
《武经总要》中，不仅描述了各种火药武器，还记下了世界上最早的 3 种 火药配方。
　　唐末宋初时期，已经有利用火药喷射来推进的火箭。至于利用在箭头 上附着油脂、松香、硫磺之类易燃物质，点燃后发射出去以引起对方燃烧 的带火的箭，则在三国时期就已经有了。在明代，茅元仪所著的《武备志》 中记载了一种“火龙出水”火箭：“水战，可离水三四尺燃火，即飞水面
　　
二三里去远，如火龙出于江面，简药将完，腹内火箭飞出，人船俱焚。” 从这个记载来看，其原理和现代的二级火箭基本相同。在《武备志》中还 记载着大量关于火箭方面的内容，如箭头除普通形状外，还有刀形、枪形、 剑形、燕尾形等等；它同时发出去的箭数可达几十支甚至上百支，称为“火 弩流星箭”（同时发箭 10 支）、“一窝蜂”（同时发箭 32 支）、“四十 九矢飞镰箭”、“百矢弧箭”、“百虎齐奔箭”等。
　　随着火箭的发射和热能的进一步利用，出现了雏型的喷气装置。科学 史家席姆（Zim）所写的《火箭与喷射》一书中有这样的记载：“约当 14 世纪之末，有一位中国官吏万户，他在一个坐椅的背后，背上四十七个当 时他可能买到的最大的火箭，他把自己捆在椅子的前边。两只手各拿着一 个大风筝，然后叫他的仆人用火同时把四十七个大火箭点着。他的目的是 想借助火箭推进的力量加上风筝上升的力量飞向前方。”从历史记载来看， 这个试验没能成功，但这种想象力和探索精神令人惊叹，所以席姆称他为 “第一个企图使用火箭作运输工具的人”，“第一次企图利用火箭作飞行 的人”。
　　综上所述，我国热动力方面的发明，由火药到火箭，进而发展到雏型 喷气装置，当时在世界上是先进的，对世界的科学技术和社会经济发展起 着巨大的影响。
【德谟克利特和古代原子论】
　　德谟克利特（Demokritos，约公元前 460—前 370）是古希腊哲学家， 古代原子论的创立者之一。他继承古希腊原子唯物论的奠基人之一的留基 伯（Leukippos，约公元前 500—前 400）的哲学思想，提出了自己的古代 原子论的思想。
　　德谟克利特认为万物由原子和虚空组成。原子是一种最小的、不可见 的、不能再分的物质微粒，虚空则是原子运动的场所，是空无一物的地方。 原子的大小、形状和位置各不相同，原子在虚空中又作剧烈的、零乱的直 线运动，在运动中彼此碰撞而构成世界万物。德谟克利特利用原子和虚空 的观念解释了自然界中许多现象，反对当时流传的宗教神话的观念。
【阿佛伽德罗和阿佛伽德罗假说】
　　阿佛伽德罗（Ameldeo Arogadro，1776.8.9—1856.7.9）是意大利科 学家，毕生致力于原子论的研究。
　　在盖·吕萨克（Gay－Lussac）工作的基础上，于 1811 年提出了一个 对近代科学有相当影响的假说，后人称之为阿佛伽德罗假说。假说认为， 在相同的温度和相同的压力的条件下，相同体积中的任何气体总具有相同 的分子个数。这个假说在相当时间内不为科学家所接受，主要原因是当时 还无法区别分子和原子。经过半个世纪以后，才被普遍接受，同时也改称 为阿佛伽德罗定律。这一定律还可以有另一种表述，即在相同的温度和相 同的压力下，1 摩尔任何气体所占的容积都相同。在标准状态下，1 摩尔理
　　
想气体所占的容积已被实验准确地测定为 22.41383×10-3m3/mol。与此同 时，1 摩尔任何气体所含的分子数都等于 6.022045×1023。这一结论与上 面的两种表述是等价的，而这一数字（常用 NA 表示）称之为阿佛伽德罗常
数。
【布朗和布朗运动】
　　布朗（Robert Brown，1773.12.21—1858.6.10）是英国植物学家。他 对物理学的贡献是发现了悬浮于水中的花粉颗粒不停地作无规则的运动， 后人称之为布朗运动。
　　布朗是从 1827 年 6 月开始这项研究的。开始时，他采用一种名叫山字 草的植物的花粉晶粒，这种晶粒形状在圆柱形与椭圆形之间。当布朗检查 这些晶粒浸在水中的形状时，发现许多花粉晶粒在运动。它们的运动不仅 在流体中改变场所（是由其相对位置的调换而表现出来），而且经常变更 它们本身的形状。经过反复实验、观察，布朗认为这种运动是花粉粒子本 身的运动。布朗采用其他活体植物的花粉粒子，也发现同样的运动。
　　接着，布朗思考着，植物死后，这种特征是否仍然继续存在，能持续 多长时间？他采用干枯的植物或用酒精浸过几天再晾干的植物，取出它们 的花粉粒子，放在水中，结果发现这些花粉粒子也与活体植物的花粉粒子 一样明显地在运动着。甚至他采用干蜡保存 20 年以上或超过 100 年的植物 标本，发现仍有很大数量的粒子作明显的运动。
　　植物死去这么长久以后，还能保留生命力的这种出乎意料的事实，促 使布朗做了第三步的实验。他把一小片玻璃捣烂，获得大量微粒，将这些 微粒飘浮在水面上，它们同样作明显的运动。接着他用泥土、矿物、金属， 凡是能设法研成粉末、而且细得可以暂时在水面上飘浮的微粒，都利用它 来做试验，所得的结论是一致的。
经过 3 个月的试验、研究，布朗发表了自己的实验结果，书名为《简
述 1827 年 6、7、8 月所作的关于植物花粉所含粒子的显微镜观察，和有机、 无机物体中活动分子的一般存在问题》。这一成果也收入到 1866 年出版的
《罗·布朗先生植物论丛》第一册中。这类运动的分子运动论解释曾由爱 因斯坦提出，并由皮兰（Perrin）的实验所证实。
【焦耳和热功当量的测定】
　　焦耳（James Prescott Joule，1818.12.24—1889.10.11）是英国物 理学家。开始时，他研究电学和磁学的问题，研究了电流生热等方面的课 题，后来集中精力研究、测量热和机械功之间的关系，热功当量数值的测 定是焦耳在物理学上的一大贡献。
　　18 世纪末，在热的本性的争论中，热是运动的观点暂占上风（参阅本 书第 17 页），但是没能找到机械运动转化为热运动的定量关系，所以不足 以击破热质说的观念。直到 1842 年，在实验中寻找和测量热功当量，情况 才开始转变。
　　
　　热功当量就是机械能转化为热能时，功 W 和热量 Q 之间的比值，用公 式表示为 W=JQ，或 J=W/Q。热功当量的概念，最先是由德国生理学家、物 理学家迈尔（J.R.von Mayer，1814—1878）在 1842 年提出的。而对这一 比值的测量工作，则是焦耳做的。
　　焦耳关于热功当量实验的第一次量度结果，是在 1843 年发表的。他最 初用以测定热功当量的方法，是用磁电机产生的电流通入导体以产生热 量，比较在通路时转动磁电机所作的功，和在断路时所作的功之差，与所 得的热量来决定热功当量的数值。采用这种方法所得的结果是：“能够将
1 磅水的温度升高 1 华氏度的热量等于并可以变换成能将 838 磅的重物竖 直提升 1 英尺高的机械力。”把英制单位换算成现在通用的单位，可得热 功当量数值 J=4.432 焦耳/卡。焦耳这里所讲的“机械力”，就是我们现在 讲的对物体所作的机械功。
　　焦耳第二种测量的办法，是将压缩某定量的空气所需要做的功与压缩 所产生的热量作比较。经过多次实验，于 1845 年发表论文，指出实验结果 为：“每 1 磅水温度升高 1 度的热量是能将 795 磅重物升高 1 英尺所作的 功。”即可表为 J=4.281 焦耳/卡。
　　接着，焦耳又采用新的办法做实验，即将水通过细管运动而放出热量， 由此来测定热功当量，结果 J=4.167 焦耳/卡。
　　之后，焦耳采用了划水轮推动流体摩擦来测定热功当量的新办法，这 就是我们现在常用的测量办法。焦耳自己描述了仪器装置和实验结果：这 个实验“是一个在水罐中水平操作的铜制划水轮，运动可以通过重物、滑 轮等工具传到罐中的桨。”“桨在水罐中转动时，遇到的阻力很大，所以 重物（各 4 磅）下落的速率很慢，大约每秒 1 英尺，滑轮离地的高度是 12 码，结果在重物落到这 12 码的尽头时，滑索须重新绕起，以使桨可以再行 转动。这样操作 16 次以后，就用一个灵敏度很高的、很准确的温度计来测 定水所提高的温度。”焦耳对此实验连续做了 9 次，实验过程中都排除大 气的冷效应和热效应，将结果折合成每 1 磅水的热容量后，焦耳发现“在 水中由于摩擦而放出的每 1 度的热量，相当于耗用了提高 890 磅重物到 1 英尺高的机械力”，即是 J=4.792 焦耳/卡。
　　又过了一段时间，焦耳利用同样的实验设备，不仅对水进行测定，同 时又用鲸脑油进行实验。做了大量的实验后，得到的平均值为 J=4.203 焦 耳/卡。
　　焦耳测定热功当量数值的重要的实验论文，是在 1849 年 6 月 21 日提 交给皇家学会的，并于 1850 年刊登于《哲学学报》第 140 卷。在论文的最 后，焦耳总结了本论文所述的实验，证明了下述两点：
　　“第一，不论固体或液体，摩擦所生的热量，总是与所耗的力的量成 比例的。”
“第二，要产生 1 磅水（在真空里称量，其温度在 50 度和 60 度之间）

增加 1 华氏度的热量，需要耗用 772 磅重物下降 1 英尺的机械力。”（注： 即表示 J= 4.1574 焦耳/卡）。”
　　尽管做了这么多的工作，焦耳并没有停止对这一问题的研究和测量， 直到 1878 年，前后工作了三四十年，先后用各种方法进行了 400 多次实验， 为科学的发展作出了贡献。这一历史告诉我们，对待科学研究应该发扬这 种严谨的治学态度，一丝不苟地对待每一项研究工作，才能在工作中取得 成绩。
【热质说与热之唯动说之争】 热是一种极为平常的自然现象，但是，“热”是什么？热的本性是什
么？对此长期以来人们是有不同看法的。在古代，就有人将热（或火）看 成是自然界的基本原素之一，也有人猜测热是一种粒子。17 世纪以后，多 数人根据摩擦生热的现象，认为热是一种特殊的运动。在近代史上，第一 个对热进行系统的科学探索的是英国的弗·培根（F.Bacon，1561—1626）。 他认为热的本质、精髓只是运动，热是一种在其斗争中作用于物体的较小 分子之上的运动。随后，法国的笛卡儿（R.Descartes，1596—1650）、俄 国的罗蒙诺索夫（M.B.ломоносов，1711—1765）把热看作为物 质粒子的一种旋转运动。当时在英国，培根的学说受到极大的反响，化学 家玻意耳（R.Boyle，1627—1691）、物理学家胡克（R.Hooke，1635—1703） 以及牛顿等都相信热是一种运动。玻意耳认为热是在物质内部产生的一种 强烈的混乱运动；胡克认为热是由微粒的运动而产生的；牛顿认为物体各 部分的振动是热的活动性质的由来。这种热之唯动说的观点流传得相当 广，但是却缺乏精确的实验依据，所以它不能形成科学的学说。
　　18 世纪后，热是一种特殊的物质的观点——热质说（或称热来说）重 新抬头，并逐渐取得了统治地位。热质说认为，热是一种特殊的、没有重 量的、充满着整个物体的一种流质——热质（或称热素），热质不生不灭， 存在于一切物体之中，又能从物体中流出或流进。物体的冷热，表示它所 包含热质的多少；物体之间的热传导，就是热质的流动。人们往往把“热 量”与“流体”相类比，由此来理解一些热现象。由于热质说能比较直观 地解释一些物理现象和实验结果，同时与热质说有联系的量热学在当时也 大大地发展起来，热质说就压倒了热之唯动说的观点。所以 1738 年法国科 学院曾悬赏关于热本性的论文，获奖的 3 个人都是热质说的拥护者。1783 年著名的法国化学家拉瓦锡（A.L.Lavoisier，1743—1794）提出氧化说， 抛弃了“燃素”的观念，但 1789 年他对元素进行分类时，却把“热”包括 在自己的化学元素表中，以字母“T”表示，归入气体元素一类里。
　　热质说可以解释许多热现象，引入了一些新的正确的概念（如比热、 潜热等），并且首先对热进行了定量的分析。除此以外，热质说还确定以 物质不灭、质量守恒为自己的出发点，这无疑给自己加上一个正确的前提。 但是，热质说也有一个致命的弱点，就是无法解释摩擦生热的现象。在 18
　　
世纪的最后几年里，一些实验结果使热质说陷于破产的深渊之中。
　　1798 年，美国的伦福德（Count Rumford，1753—1814）伯爵在制造 枪炮的过程中，把炮筒固定在水中，用马拉动很钝的钻头，使之转动，在 炮筒内钻孔加工。结果发现，加工出来的铁屑很少，但是炮筒周围的水却 不断地变热而沸腾。随着加工过程的不断进行，热几乎可以无穷无尽地产 生出来。伦福德又设计了一系列钻孔的实验，设法将仪器与外界隔热，然 后测量钻孔前后的金属的热容量有没有变化。实验结果表明，金属炮筒和 切削出来的碎片的热容量完全一样。这个有名的实验否定了热质说，支持 了热是一种运动的学说。
　　事过一年，1799 年，英国化学家戴维(H.Davy,1778—1829)做了个实 验：在不受外界温度的影响下，两块冰互相摩擦而熔解。用热质说也无法 解释该现象。这个实验结果，同样支持了热是运动的看法。
　　根据现在的观点，这两个实验都证明了热之唯动说的观念是正确的。 但是这两个实验还比较粗糙，那时还没有找到机械运动转化为热运动的定 量关系，所以还不足以击破人们头脑中的根深蒂固的热质说的概念，以致 于伦福德宣布其实验结果时，人们嗤之一笑，认为是违反“常理”的。甚 至到 19 世纪 50 年代，在有些化学教科书中，仍然把“热”列为元素中的 一种。直到 1842 年，实验中精确地测定了热功当量的数值后（参阅本书第
16 页），热质说才宣告破产。 热质说与热之唯动说之争，是物理学史上几个著名争论中的一个，争
论的时间延续了几个世纪。但这场争论可以给我们一些启示。首先，在学 术争论过程中，正确的东西要取得公认，必须付出艰巨的劳动。伦福德的 炮筒实验、焦耳的实验、能量守恒原理的发现等等，都没有一下子被人们 所公认，都经过了实践的检验。其次，错误的观念会影响科学理论的诞生。 在物理学史上，卡诺(S.Carnot,1796—1832)相信热质说，尽管他已经跑到 了热与功联系的大门前，提出了卡诺循环、卡诺原理，但却未能再跨一步 进入大门，进一步提出热力学第二定律，丧失了觅寻真理的能力。即使他 后期开始意识到热质说是不对的，但是由于他过早地离开人间，而对历史 的进程没有起到应有的影响。这些告诉我们：要使自己具有旺盛的科学创 造力，必须要求自己具有正确的哲学思维的能力，具有明辨理论和假说真 伪的能力，在实践的基础上，才能使自己不断地有所发明、创造。
【能量守恒与转化定律的建立】
　　能量守恒与转化定律的建立是 19 世纪物理学发展的重大成果之一，不 仅是物理学史上，也是整个自然科学史上的重大事件。因此，恩格斯把它 和细胞学说、达尔文进化论一起列为 19 世纪的三大发现。
　　关于运动不灭的观点，早在古希腊时就已产生，到了 17 世纪后，不少 物理学家接受这种观点，并想在这个基础上建立有关的物理学定律。但由 于两种运动量度的长期争论（参阅本书第 9 页），力的概念和能量（当时
　　
叫活力）的概念也长期混淆不清，虽然杨氏（ThomasYoung，1773—1829）
于 1807 年把莱布尼茨的具有做机械功本领的“活力”改称为“能”，以表 示与“力”的区别，但这一观点却仍然没有被科学界所理解、所接受。这 样，就无法研究自然界各种运动形式之间转化的规律性的问题。
　　第一个发表论文讨论运动形式转化规律、提出能量守恒的是德国医生 迈尔（RobertMayer，1814.11.25—1878.3.20）。在行医过程中，迈尔发 现病人的静脉血在热带要比在欧洲的更红，进而解释为血内氧气较多的缘 故。迈尔认为人体消化食物的过程和无机界的燃烧过程一样，都要消耗氧 气，都能增加能量。在热带，气温较高，为保持人体体热，所需要的热量 相应就少一些，氧气消耗也就较少，这样人体静脉中剩余的氧气就较多， 血就更红一些。由此，迈尔认为对人体来说，输入的力和输出的力应该是 平衡的。（迈尔所称的力，其涵义就是现在的能量。为了有所区别，这里 用“力”来表示。）在这种思想指导下，迈尔于 1842 年发表了题为“论 无机性质的‘力’”的论文。在这篇论文中，他给出了更普遍的“力”的 转化和守恒的概念。迈尔把自然“力”分成运动“力”、降落“力”、化 学“力”（实际上是动能、势能、化学能），根据有果必有因、有因必有 果的“因等于果”的思想，认为上述各类自然“力”均可互为因果。例如 降落“力”可使物体下落，是因；而物体下落产生运动“力”，是果。反 之，运动“力”又可举起物体而产生降落“力”。进而认为“力”是不会 消失的，只是改变形式。迈尔还确定了“热”和机械“力”转化的数量关 系（即热功当量），并进行了计算。迈尔将论文寄给德国著名的《物理学 年鉴》编辑部，但遭到编辑部的拒绝，理由是缺乏实验依据。后来，该论 文发表在《化学和药物年鉴》上。论文发表后 20 年，也只受到少数科学家 的注意。
　　第一个用实验来验证能量守恒与转化的是英国物理学家焦耳，因为他 用实验测量了热功当量的数值（参阅本书第 16 页）。
　　差不多在同一时期，德国的生理学家亥姆霍兹（H.L.F.von Helmholtz，1821.8.31—1894.9.8）从生理学的角度研究了自然界各种 “力”之间的关系。当时，生理学界普遍存在一种生命力的观点，并认为 它是非物质的。亥姆霍兹反对这种观点，认为人和动物机体内的各种现象 都与物质的运动有关，并研究了各种自然“力”之间的关系，指出各种“力” 在转化过程中是守恒的。在不知道迈尔、焦耳工作的情况下，于 1847 年写 就了题为《论活力的守恒》的小册子，并寄往《物理学年鉴》编辑部，但 也遭到编辑部的拒绝。亥姆霍兹在论文中引入了中心“力”（即势能）的 概念，以此来解释各种形式“力”的转化。
　　综上所述，能量守恒与转化定律建立的过程中，迈尔、焦耳、亥姆霍 兹作出了不小的贡献，但是还有不少物理学家对此也作出了不同程度的贡 献，如 J.伯努利（Johann Bernoulli，1667—1748）一再提到“活力守恒”，
　　
另外，还有卡诺、伦福德伯爵、戴维、柯尔丁（L.A.Cold-ing，1815—1888） 等。所以这一发现也是一个国际性的发现。
　　能量守恒与转化定律的建立，把人们认为互不相干的各种物理现象联 系在一起，统一于一个自然规律之中。物理学的任务就是要去发现普遍的 自然规律，以规律性的最简单的形式表示某种物理量的不变性。所以对物 理学来说，对这种守恒量的寻求不仅是合理的，而且也是一个极为重要的 研究方向。但是，由于人们的传统观念的作怪，能量守恒与转化定律并没 有被科学界所理解和接受，直到 1860 年左右，它才被普遍承认，同时它很 快地成为全部自然科学的基石。从此以后，特别是在物理学中，每一种新 理论的诞生，首先要检查它是否与能量守恒原理相符合。同时，能的理论 决不会由于承认守恒定律而告终，相反，直到现在仍然总是由于新的发展 而日益成熟。100 多年的历史，证明了能量守恒与转化定律是一个普遍的 自然规律。
【开尔文和热力学温标】
开尔文原名威廉·汤姆孙（William Thomson，1824.6.26—
1907.12.17），是英国物理学家。他对物理学的主要贡献是发现了热力学 第二定律，成为热力学的奠基人之一，同时他又是承装第一条大西洋海底 电缆的公司的工程顾问。1866 年他获得爵士衔，于 1892 年晋升为开尔文
（Lord Kelvin）勋爵。 W·汤姆孙在热学方面的一个贡献，就是创立了绝对温标，也称热力学
温标。绝对温标 T 是热力学中一个重要的物理量，它是在 1848 年 W·汤姆 孙的一篇短文“基于卡诺的热的动力论和雷诺观察的计算所得的绝对温 标”中被提出来的。温度概念的形成，是热学发展中的第一个进步，而温 度的测定，长期以来被认为是物理学（甚至是自然科学）中最重要的问题 之一，因此也就成为人们注目的研究课题。到了 19 世纪，这一课题的研究 进入到了精巧细致地进行实验研究的阶段。W·汤姆孙对当时的温标不满 意，他想建立一个与物质的性质无关的绝对温标。他在上述短文的最后提 出：“我所建议的标尺的特点是，任何一度都具有相同的值；这就是说， 当一单位的热从这个标尺上温度为 T°的物体 A 传给温度为（T-1）°的物
体 B，则不论 T 的数目是什么，都将给出同样的机械效果。这正好可以用
‘绝对温标’这个名称，因为它的特点是和任何特殊物质的物理性质完全 无关的。”为了纪念他的功绩，后人将这一温标称为“开氏温标”，也称 为“热力学温标”。在 1927 年，第七届国际计量大会上，将这一温标定为 最基本的温标，1960 年第十一届国际计量大会规定用单一固定点（水的三 相点 273.16K）来定义，其符号是 T，单位为开尔文 K。同时，摄氏温度 t
定义为 T-T0，T0=273.15K。由这一定义知道，热力学温度相差一度，摄氏
温度也相差一度。绝对温标的零度为绝对零度（0K）。
【瓦特和热机的发展】

　　瓦特（James Watt，1736.1.19—1819.8.25）是英国发明家。经过瓦 特的改进，蒸汽机大大提高了实用价值，同时也为英国的产业革命铺平了 道路。
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　　蒸汽机并非是瓦特发明的。如果追溯历史，则可以一直追溯到公元初 期。古希腊的发明家希罗（Hero of Alexanderia，约公元 62—约 150）曾 发明过希罗球。希罗球是支承在两根垂直导管上的空心球体，当加热下面 容器内的水时，蒸汽便沿着两根导管分别进入球内，从球上两根相反方向 的弯管喷出，由于喷气的反作用，球便沿着与喷气流动相反的方向旋转（上 图）。这是历史上最早记载的喷气动力装置，当然它只能供欣赏，无法实 用。第一个制造能用的蒸汽机的是法国物理学家、发明家巴本（D.Papin，
1647—约 1714）。他用一个铁圆筒中间装上一个塞子，塞子下面盛有少量 的水。对筒底加热，筒内的水变成蒸汽，推动塞子向上运动。然后将火移 开，铁筒冷却，大气压便将塞子压下来。这样的蒸汽机太原始了，实用价 值不大。后来经过英国工程师塞维利（T.Savery，1650—1715）和英国发 明家纽可门（T.Newcomen，1663—1729）的改进，特别是后者，蒸汽机的 实用价值就提高了一步。1705 年纽可门制造了一台蒸汽机，被利用来抽矿 内的积水，但因这一机器的汽缸仍是不断地加热和不断地用外加喷射水来 冷却的，就无法连续地工作。
　　1763 年，瓦特在格拉斯哥大学工作，修理教学仪器，其中也包括修理 损坏了的纽可门蒸汽机。瓦特在修理过程中，弄清楚了工作原理，找到了 消耗大量燃料的症结所在，于 1765 年改进了原有的蒸汽机。首先，他设计 了一个与汽缸分离的冷凝器，汽缸外面装上绝热套子，使它一直保持高温， 这样便提高了效率。其次，于 1781 年又制造了从汽缸两边推动活塞的双向 动作蒸汽机，同时采用曲柄机构，使活塞的往复式的直线运动转变为旋转 运动。再次，他又设计了离心节速器来控制蒸汽机的转速。经过这一系列 的改进，蒸汽机便大大提高了实用价值，广泛地被工业部门所采用。
【帕斯卡和帕斯卡定律】 帕斯卡（BlaisePascal，1623.6.19—1662.8.19）是法国数学家、物
理学家。他对物理学的主要贡献是在流体静力学方面。
　　帕斯卡在 1663 年出版的《液体平衡论》一书中详细讨论了液体压强问, 题。在该书的第一章中叙述了几种实验，它们的结果表明，任何水柱，不 论直立或倾斜，也不论其截面的大小，只要竖高相同，则施加于水柱底部 的某一已知面积的活塞上的力也相同。这一个力实际上是液体所受的重 力。第二章详细叙述了密封容器中的流体能传递压强，讨论了连通器原理。 帕斯卡利用一个充水的容器，它有两个圆筒形的出口，除此之外，其他部 分都封闭。两个出口的截面积相差 100 倍，在每一个出口的圆筒中放入一 个大小刚好适合的活塞，则小活塞上一人施加的推力等于大活塞上 100 人
　　
所施加的推力，因而可以胜过大活塞上 99 个人施加的推力。帕斯卡继续认 为，不管这两个出口大小的比例如何，只要施加于两个活塞上的力和两个 出口的大小成比例，则水的平衡就可以实现。帕斯卡在书中一一叙述了密 封液体、压强不变、向各方向传递等帕斯卡定律的基本点。
除此以外，帕斯卡重新用水银气压计来计算空气的压力。他发现高度








种利用气压计测量高低不同的地方的压强差的实验，为以后的流体静力
学、流体动力学的研究开拓了道路。
【玻意耳和马略特】
　　玻意耳（Robert Boyle，1627.1.25—1691.12.30）是英国化学家、物 理学家。他在化学方面的主要贡献是将炼金术和化学分开，并且给化学元 素下了明确的定义。他在物理学方面的主要贡献是研究空气的压强与体积 的关系。
　　1662 年，玻意耳用弯曲的 U 形玻璃管，一端封闭，另一端开口，根据 灌入水银柱的高度和封闭的空气柱体积，测量出空气的压强和体积的关
系。
　　马略特（Edme Mariotte，1620—1684.5.12）是法国物理学家。他非 常注重实验的观察和研究，系统研究了空气的压强和体积的关系。
　　1676 年，马略特发表了关于空气性质的论文，指出气体体积的变化和 它所受到的压强成反比，明确指出，只有在温度不变的情况下，此反比关 系才成立。
　　马略特的发现与玻意耳的发现相同，而且是各自独立地发现的，何况 玻意耳发表还早些，但是玻意耳发表结果时，并没有引起人们的注意。所 以，现在英、美等国常把这一定律称为玻意耳定律，而在法国则称为马略 特定律，有时就合称为玻意耳-马略特定律。
【查理和盖·吕萨克】
　　查理（Jacques Alexandre César Charles， 1746.11.12—1823.4.7） 是法国物理学家。他通过实验，研究了气体在体积不变情况下，压强与温 度之间的关系，并于 1787 年发表论著，阐明了当体积不变时，一切气体的 压强系数都相等。这就是现在称之为的查理定律。
　　盖·吕萨克（Louis-Joseph Gay-Lussac，1778.12.6—1850.5.9）是 法国化学家、物理学家。在物理学上，他主要根据查理研究的结果，着手 研究气体在压强不变情况下，体积与温度之间的关系。经过系统的实验研 究，于 1801 年发表论著，阐明了当压强不变时，一切气体的体膨胀系数都 相等。这就是现在称之为的盖·吕萨克定律。
　　
【伯努利和伯努利方程】
　　伯努利（Daniel Bernoulli，1700.2.9—1782.3.17）是瑞士物理学家、 数学家。他对物理学的贡献以流体动力学为最突出。
　　1738 年伯努利出版了共有 13 章的《流体动力学》一书，该书用活力 守恒原理（就是能量守恒原理的早期提法）来解决流体动力学的问题。他 用流体的压强、密度和流速作为描写流体运动的基本物理量，列出了流体 动力学的基本方程，后人称之为伯努利方程。同时提出了“流速增加、压 强降低”的伯努利原理。除此以外，他还认为气压是气体分子对容器壁撞 击而产生的效应，建立了气体分子运动论的某些概念。
【昂尼斯和低温】
　　开默林-昂尼斯（HeikeKamerlingh-Onnes，1853.9.21—1926.2.21） 是荷兰物理学家。他在低温物理领域有一系列的重要贡献。
　　19 世纪末期，开默林-昂尼斯创建了莱顿实验室，它是世界著名的低 温研究中心之一。1906 年，他液化氢气获得成功。1908 年，他将最后一个 被认为是永久气体的氦气也液化了，从而使气体、液体之间的绝对界线消 失了。1911 年，他发现了纯的水银样品在低温 4.22～4.27K 时，电阻消失 了。接着又发现了其他一些金属也有类似的现象，他把这类现象称为超导 电性。这一发现，开辟了一个崭新的物理学领域。
　　开默林-昂尼斯十分重视实验物理学中的定量测量，提出每个物理实验 室应以“测量出真知”作为自己的座右铭。 由于对低温物理学发展所作的杰出贡献，开默林-昂尼斯荣获 1913 年诺贝 尔物理学奖。
　　
（三）电学和磁学部分


【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
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　　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（左 图）。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（William Gilbert，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（Benjamin Franklin，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（Jean Antoine Nollet，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（Pieter van Musschenbroek，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（Luigi Galvani，
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（Alessandro Volta，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，主要是研究金属接触起电的问题。1792 年， 伏打接受了伽伐尼的观点，但是长时期的一系列的实验，他渐渐感到，蛙 腿的收缩只具有次要的意义。1796 年，他放弃了伽伐尼的观点，并且很快 地证明，引起蛙腿收缩的电流，纯粹是一种无机现象，把两种金属线焊接 起来成为一根导线，并将其两端浸入盐水时，总能观察到这种电流。由此， 伏打得出结论，金属是真正的电流的激发者，而神经是被动的。这就是伏 打提出的接触电的观点。为了纪念他的朋友，伏打还是把这种电流称为伽 伐尼电流。
　　在上述工作的基础上，伏打还用了大量铜圆片和铁或镀锌的圆片交替 放置，中间再用一层层浸过盐水的纸片或布片隔开，制成了一种后人称之 为“伏打电堆”的装置，用其产生电流。这种电堆是我们今天用于照明和 许多其他设备上的现代电池的雏形。1800 年 3 月 20 日，伏打写信给英国 伦敦皇家学会会长，宣布了自己的发现。信中写道：“??是的，我向各 位报告的这种仪器，无疑会使你们感到惊奇，它只是许多良导体按一定顺 序排列起来的集合，有 30 片、40 片、60 片或更多的铜片，用银片则更好， 每一片上都镀上锡，或者最好是镀上锌，片与片之间隔以一层水，或者其 他比普通水导电性更好的液体，例如盐水、碱水等。也可以使用在这些液 体中充分浸泡过的硬纸板或皮革等等。这些夹层插在一对对或一组组不同 的金属对之间，交替放置的顺序总是保持不变，这就是我的新仪器的全部 结构。我说过，这是模仿莱顿瓶或电池的效用而制成的，可以产生和它们
　　
同样的电击。诚然，它比上述电池高度充电时的能力差得多，就放电时所 能产生的力、爆炸的声响、火花的大小和放电的距离来说，它只相当于一 个容量很大的而只充电到很低程度的电池；但是除此以外，它的优点和效 果是这些电池无法与之相比的，因为它不必像这些电池那样要靠外界的电 来预先充电，只要我们一碰它，它就能发出电击，而不管碰它的次数是多 么频繁。”
　　伏打的研究工作，引起了科学界的一场辩论。生物学家、解剖学家支 持伽伐尼的观点，认为是动物电、生物电，物理学家、化学家支持伏打的 观点，认为是金属接触电。这场国际性争论持续了很长一段时间，直到 20 世纪现代化学理论产生后，才最终解决了这个争论问题。1801 年，拿破仑 请伏打到巴黎，在学会上表演他的电堆实验，并授于他金质奖章。电流的 发现、产生电流的实验装置的研究成功，使电学的发展进入了一个新阶段。 后人为纪念伏打的这一贡献，除了用“伏打电堆”这一专门名词外，还用 “伏特”作为电势的单位。电流的发现为研究电和磁之间的联系提供了条 件，也为化学研究开辟了新领域。
【欧姆和欧姆定律的建立】
　　欧姆(George Simon Ohm，1789.3.16—1854.7.6)是德国物理学家，对 物理学的主要贡献是发现了欧姆定律。
　　1826 年，欧姆发表了“论金属传导接触电的定律及伏打仪器和西费格 尔倍加器的理论”一文，文中提出了欧姆定律的实验证明。欧姆在做实验 时，起初是用伏打电池作为电源，因性能不稳定，改用温差电池。欧姆使
铋-铜组成的温差电池的两端保持着不同的温度，一端插入盛有沸水的容器 中，另一端插入盛有碎冰（或雪）的容器中，两个盛水银的杯子当作电池 的两极，外电路就连接在水银槽中。温差电池的上半部是电流扭秤，用来 测量电路中的电流强度。扭秤的指针是一根磁针，用金丝悬挂起来。当电 流通过导线时，磁针会偏转，金丝便扭转。由于金丝的扭转角度与导线中 的电流强度成正比，读出扭转角的大小，就能知道电流强度。欧姆选用了 一组截面积相同、长度各不相同的铜导线作为外电路进行实验。根据实验 数据，欧姆得出如下的关系式








式中 X 为不同导线接入时的扭转角度，x 为导线的长度，a、b 是两个常数。
这一欧姆所确定的公式原型中，如果 X 对应于现代所用的电流强度 I，x
对应于外电路的电阻 R，常数 a、b 分别对应于电源的电动势 E 和电源内电 阻 r，则上式即为全电路欧姆定律的表示式








【奥斯特和电流磁效应发现的前前后后】
　　奥斯特（Hans Christian Oersted，1777.8.14—1851.3.9）是丹麦物 理学家，对物理学的主要贡献是发现了电流的磁效应，把电和磁统一起来。
　　在 19 世纪前，人们普遍认为电和磁之间是没有什么关联的。但是，当 时德国的自然哲学家们，则从另一个角度对电和磁发生了兴趣，即对极化 现象感到兴趣，因为这一例子好像表明他们所假定的两个对立极之间的辩 证张力或者使杂乱变为有序的力的存在。自然哲学家谢林（F.Schelling，
1775—1854）就有这种主张，进而认为宇宙间具有普遍的自然力的统一。 谢林的思想对他的挚友奥斯特具有深刻的影响，导致奥斯特去研究电和磁 之间的联系。
　　1803 年，奥斯特主张，物理学将不再是关于运动、热、空气、光、电、 磁以及大家所知道的任何其他现象的零散的汇总，它将把整个宇宙纳在一 个体系之中。
　　1807 年，奥斯特宣称正在研究电和磁的关系。因为富兰克林曾在 1751 年证明，用莱顿瓶中的电可以使磁针磁化或退磁，莱顿瓶只能供给瞬间电 流，所以没能继续研究下去。伏打电堆的发明，为连续电流提供了电源， 奥斯特才能对此问题继续研究下去。
　　1812 年，奥斯特用德文写成题为“关于化学力和电力的等价性的研 究”的论文，次年译成法文在巴黎出版。在论文中，他提出应该检验电是 否以其最隐蔽的方式对磁体有所影响。
　　1818—1819 年，据与奥斯特共事过的人回忆，奥斯特一直在寻找这两 大自然力（指电力和磁力）之间的联系，为发现这种联系，奥斯特经常苦 苦思索并进行各种试验。
　　1820 年 4 月的一天，奥斯特在去哥本哈根大学讲课的路上，产生了一 个念头：如果静电对磁石毫无影响，那么若用一根导线把伏打电池的两极 联系起来，让电荷在其中运动，这样会发生什么现象呢？事情是否会有所 不同？他带着这些问题走进了教室。教室里坐满了青年学生。奥斯特把自 己带去的伏打电堆放在讲台上，然后用一根白金丝把电堆的两极连起来， 并将一枚小磁针放在它附近。这时，奇怪的现象出现了：磁针本该指南北 的，现在却转动了，并在垂直于导线的方向停下来。听众无动于衷，而演 示者却激动万分。课后他继续留在教室里，核对了他刚刚发现的这个不寻 常的现象。起初，他想磁针的转动也许因为电流通过导线，导线发热产生 空气流引起的。为此，他把一块硬纸放在导线与磁针之间，以阻挡气流， 但是实验结果依然如此。然后，奥斯特把伏打电堆转了 180 度，使导线中
　　
的电流朝反向流动，结果磁针的朝向也转了 180 度。这就表明，磁针的指 向与电流在导线中的流动方向有关。接着，奥斯特在磁针和带电导线之间 放上各种介质，如玻璃、木板、水、树脂、陶器、石头等等，结果表明， 它们之间的作用并不减弱。开始时用白金丝连结电堆的两极，后来又用大 电堆，并用粗铜导线连接，先后共做了 60 多个实验，得到的结果是一样的。 这样，奥斯特便把观察所得的结果，如实地写成题为“关于磁体周围电冲 突的实验”的论文，送交法国杂志《化学与物理学年鉴》发表。这就是我 们通常所讲的 1820 年 7 月 21 日的那篇论文。杂志在刊登时，编者加了一 个不平常的说明：“《年鉴》的读者都知道，本刊从不轻易支持宣称有惊 人发现的报告（也许因为其中多数都是一些怪人所写的东西），至今我们 都因为能坚持这一方针而自豪。但是，至于说到奥斯特先生之文章，则其 所得之结果无论显得多么奇特，都有极详细的记录为证，以致无任何怀疑 其谬误之余地。”
　　在论文中，奥斯特自己写道：“我们将在导体中和其周围空间中所发 生的这种效应称之为电冲突。看来所有非磁性体都能为这种电冲突透过， 但磁性体则抗拒它通过，因此它们就能在冲突力量的推动下运动。??从 上述事实，我们还可以推出这种冲突呈现为圆形的，否则就不可能发生这 样的情形：将闭合导线的一段放在磁极下面时，磁极被推向东方，而放在 磁极上面时，就被推向西方。其原因是，只有圆才具有这样的性质，其相 反部分的运动方向相反。”
　　1820 年，奥斯特称之为“电磁学”的新学科诞生了，电转化为磁成为 现实，表明电和磁是可以统一的，使“自然力统一的思想”得到了一个例 证。其次，电流磁效应的发现，表明作用力是一种旋转力，它和力学中力 表现出来的形式是不同的，人们认识到一种新的相互作用形式。第三，这 一发现为制造灵敏电流指示器创造了条件，同时，它本身就包含了未来的 电力技术应用的内容。
　　奥斯特的发现一经传播，到处都在重复这一实验。1820 年 9 月 11 日， 在法国科学院举办的每周的科学例会上，法国物理学家安培（AndréMarie Ampère，1775.1.20—1836.10.6）听到了两个月前在哥本哈根发现的这个 重要的实验事例，并且看到电流磁效应的演示实验后，对此极感兴趣，立 即对它进行研究，仅仅几个星期，便在科学院举办的科学例会连续发表报 告，进一步揭示电和磁之间的内在联系。
　　通过实验和研究，安培发现，不仅电流对磁针有作用，而且两个电流 之间彼此也有作用。两根平行的载流导线中，如果通过的电流方向相同， 导体之间呈现出互相吸引；如果通过的电流方向相反，导线之间呈现出互 相排斥。同时又发现，两根载流导线之间的力的大小，是与两根导线中各
自通过的电流 I1 和 I2 的乘积成正比，与导线的长度成正比，与两根导线之
间的距离平方成反比。由此，安培提出了电流磁效应的定量规律，后来称

之为的安培公式。这一公式作为他的“电动力学”基本定律的起点。“电 动力学”这一名词是在安培的著作中第一次出现的，他常用“电动力”来 表示电压。所以我们说，安培是电动力学的先创者。在上述研究的基础上， 安培又提出了一个关于电流使磁体偏斜方向的法则，也就是确定电流的磁 场方向的法则，即“安培法则”。为了表彰安培的功绩，电流的单位就用 他的名字来命名。除此以外，安培还提出了“分子电流”的概念，用它来 解释物体为什么具有磁性。安培的这一观念，为现代物理学所证实。现代 物理学认为，物体内部的原子或分子的磁性，是由于电子在原子核周围转 动或绕着自身轴急速旋转而产生的。
【法拉第和电磁感应】
　　法拉第（Michael Faraday，1791.9.22—1867.8.25）是英国物理学家、 化学家，在自然科学上的重大贡献是发现了电磁感应现象，建立了电解定 律，提出了力线和场的概念。
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　　1820 年，奥斯特发现了电流磁效应（参阅本书第 28 页）以后，1821 年，法拉第就重复进行类似的实验，都获得了肯定的结果。这时，法拉第 就有一个想法，既然电可以转化为磁，磁是否也能转化为电呢？于是他在 日记本的扉页上写下“转磁为电”，并开始苦苦地思索，踏踏实实地设计 了各种实验，但却一次一次地失败。直到 1831 年 8 月，法拉第用 7/8 英寸 粗的软铁条，焊接成一个外径为 6 英寸的圆环（右图），圆环上绕有两组 线圈 A 和 B。A 线圈由 3 个小线圈组成，每个小线圈由 1/20 英寸粗、24 英 尺长的铜线组成，它们可以分开，也可以联合使用。B 线圈由两根共 60 英 尺长的同样粗的铜线组成。A 与 B 在圆环上的绕法和方向相同，它们的末 端由一个大约 1.5 英寸长的不予包扎的铁片隔开。A 线圈与伏打电池连接，
B 线圈与 3 英尺以外的电流计连接。当法拉第把 A 线圈与伏打电池一接通， 电流计上的指针突然偏转，但是指针晃动一下后就停止了。当他把电池拆 掉时，电流计的指针又突然偏转，偏转的方向与前面的相反，晃动一下后 也停止了。这种往往不被他人注意的现象，却紧紧地吸引着法拉第，他好 像悟出了什么道理。他继续做实验，结果都相同。他把电流计接到 A 线圈 中的一个小线圈上，当另外两个小线圈连起来接到伏打电池上时，电流计 的指针偏转得更大。当把伏打电池的两极对换时，发现电流计的指针反向 偏转。法拉第称这种现象为“伏打电感应”。同时他也深深地懂得，当电 转化为磁时，呈现出来的是个稳态现象，电流周围的磁场是稳定地存在着； 而磁转化为电时，则是瞬态现象，一现即逝。为了进一步验证，几个星期 后，法拉第再做实验。这次，他抛开电池，在一个纸做的空心圆筒上，用
220 英尺铜线分层绕了 8 个线圈，它们之间再互相连起来成为一个大线圈， 并把它与电流计相接。当一条形磁铁插进空心圆筒时，电流计的指针摆动 了；抽出时，指针也作相反方向的摆动，法拉第称这种现象为“磁电感应”。

上述这些实验说明磁可以转化为电，而法拉第的“转磁为电”的理想终于 实现了。
　　法拉第受电磁感应的启示，他直觉地揣测到在磁铁周围有一个充满力 线的场，感生电流的形成是由于导体切割力线的结果。所以在他的 1832
年 3 月 12 日的文稿中写道：“??使我相信，磁的作用是渐进的，是需要 时间的”，“有理由假设，电（压）的感应也是以类似的渐进方式进行的。” 这是在物理学史上第一次有力地向超距作用观念提出挑战。
　　法拉第的另一个重要贡献，是在 1833—1834 年提出了两条电解定律， 这是电化学的开创性工作，同时有力地证明了基本电荷的存在。
【楞次和楞次定律】
　　楞次（Heinrich Friedrich Emil Lenz，1804.2.12—1865.2.10）是 俄国物理学家。对物理学的主要贡献是确定电磁感应中的感生电流的方
向。
　　楞次从青年时代起就开始研究电磁感应问题。1831 年法拉第发现了电 磁感应现象（参阅本书第 29 页），但是没有确定感生电流的方向。楞次研 究了这一问题，并于 1834 年发表了题为“论电动力公布所产生的伽伐尼电 流方向的决定”的论文。论文指出：当闭合电路通过磁场或者闭合电路中 的磁通量发生变化时，在电路中都会产生感生电流。感生电流的方向总是 使感生电流所引起的磁场阻碍闭合电路的磁场的增加，或者阻碍磁通量的 变化。这一定律后来就称为楞次定律。
除此以外，楞次还研究了电流通过导体时的热效应规律，与焦耳
（J.P.Joule，1818—1889）研究结果相同，称之为焦耳-楞次定律。
【狄拉克和磁单极子】
　　狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac，1902.8.8—1984.10.20）是英 国理论物理学家。由于对量子力学发展所作的贡献，他于 1933 年获诺贝尔 物理学奖。
　　1933 年，狄拉克根据最小的带电单位——电子的电荷量子化的性质， 依据对称性的思维原则，提出了有可能存在“磁单极子”的假说，表明磁 极不一定是两个极同存于一体之中。这一假说到现在为止，还没有能在实 验上得到最后的证实，但它仍是当代物理学上引人注目的基本理论研究和 实验研究的课题之一。
【麦克斯韦和电磁理论】
　　麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831.8.13—1879.11.5）是英国物 理学家。他深受法拉第的影响，信服法拉第的物理思想，决心为法拉第的 力线、场的概念提供数学方法的基础。
就电和磁的研究，麦克斯韦发表了 4 篇著名的论著：
　　1855 年，他发表了题为“论法拉第的力线”的论文。在这篇论文中， 麦克斯韦采用了类比的方法（即把处理电场的问题与流体的问题类比），
　　
运用他人的研究成果，推导出电流四周的磁力线的通量和磁作用力之间的 关系式，引入新的矢量函数，由该函数的各种微分运算导出一组矢量微分 方程，以表示描述电流和磁力线的一些物理量之间的定量关系，由此得出 定量公式。从法拉第给麦克斯韦的信中就可以看出这一成果的重要性。法 拉第在信中说：“当我知道你要构造一种数学形式来针对这样的主题，起 初我几乎是吓坏了；然后我才惊讶地看到，这个主题居然处理得如此之 好。”
1861—1862 年，麦克斯韦发表了题为“论物理的力线”的论文。这篇 论文进一步提出了关于力线的机械模型，即电磁以太模型。在论文中引进 了“位移电流”的概念，这是一个新的贡献。他应用数学方法，类比了磁 场变化、磁力线通量改变会产生感应电流的思想，肯定地指出，存在着变 化的电场的电介质中也会产生一种磁效应的特殊“电流”——位移电流。 这一概念的提出，是建立电磁场理论的关节点。他又提出“由于媒质的弹 性所引起的效应的改正”，既要考虑传导电流，也应考虑位移电流的作用。