致同学们 大自然拥有丰富多彩、十分绚丽的环境,有色彩之美、风格之美、对称之美、音韵之美、 奇特之美、奥秘之美。物理学研究的对象,正是这样一个自然界。自然界所拥有的各种美的品 格,当然会在物理学的内容和理论形式中反映出来。 简单、普适、和谐、统一是物理学之美的最普遍特征。尽管自然万物五彩缤纷、斑驳陆离、 瞬息万变,然而它们的存在状态和变化却遵从一定的规律。为数不多的规律支配着自然界的 切,体现了自然界质朴的统一与和谐之美,赋予了科学理论的审美价值。爱因斯坦说:“从那 些看来同直接真理十分不同的各种复杂现象中认识到它们的统一性,那是一种壮丽的感觉。 牛顿定律、万有引力定律、库仑定律、熵增加原理等,都以其简洁性、普适性与和谐性给人以 美的震撼。它们既向人们展示出一个个未知王国如何在杂乱中包含有序、在繁杂中包含简单 在对立中包含统一,又给人们一种美的冲动,启迪人们的灵感和智慧,去创造更为壮丽的科学 杰作。 自然界存在多种多样的对称美。对称性不仅体现在绘画、建 筑、园林、城市规划中,物理学中同样反映出大自然的这种对称 性。很多物理学理论都有一种赏心悦目的对称美,本书中,我们可 以通过电与磁的规律领略一二,而在微观领域,还将看到更多、更 深刻的对称性。 物理学中美的特点,在绘画、音乐,甚至诗歌、舞蹈等各种艺 术中都有相似的对应物。物理学中那种看不见、摸不着、充满智慧 的理性之美,正是艺术中那种见得着、听得到的感性之美的相似 物;物理学家和艺术家通过不同途径追求的正是相同的目标。 京剧脸谱中的对称美 物理学与科学文化素养 有一个看法:如果一个人没有读过唐诗宋词、《红楼梦》和莎士比亚的作品,会被认为文 化素养不高:但是一个人不知道牛顿、爱因斯坦的理论,却不被看做缺少文化。20世纪下半 叶波澜壮阔的现代科技革命,极大地冲击了这种偏见物理学家拉比(I.I.Rabi,1898-1988) 指出:“只有把科学和人文学科融为一体,我们才能期望达到与我们时代相称的智慧的顶点。” 或许你将来从事与物理学没有直接关系的工作,但是也应该对物理学有一定的认识。这不 是要求你死记硬背物理定律和公式,而是要求你了解一些重要概念和规律的科学实质,经历一 些物理学的探索过程,体会一些物理学的思维方式和研究方法,知道一些与物理学相关的基本 知识。这对你分析和处理问题能力的提高,甚至你的日常生活,都是十分重要的。今天,物理 学已经深入到社会生活的各个方面,无论你从事何种职业,都离不开与物理学相关的技术和产 品。汽车、飞机、电视、空调、电脑、网络、手机、磁卡……不具备基本的物理学知识和技能, 如何能更好地适应这种现代生活呢? 当代物理学发展的特点之一,是它与社会科学之间的沟通与渗透。人类生活在大自然中, 人类社会的发展不能不受制于自然的法则,因而社会领域的许多问题,也可以借用物理学的概 念、规律、思想和方法来研究和处理。近年来,在社会科学中广泛采用了自然科学的研究方 法,我们必须造就具有较高自然科学素养的一代公民
我们思想的发展在某种意义上常常来源于好奇心。 爱因斯坦① 第一章电场电流 今天,我们闭合开关就可以接通电路:电灯发出柔和的光,收音机播放动听的乐 曲,电视机播映声情并茂的节目……这一切早都习已为常,电的大规模应用基于人们 对电的认识,然而,人类是怎样获得有关电的知识的? 关于电,人类是在好奇心的引导下,从研究神奇的静电现象开始的 ①爱因斯坦 Albert einstein,1879-1955),20世纪杰出的物理学家。他建立了狭义相对论和广义相对论,提出了 光量子的概念,以量子理论完满地解释了光电效应,并获1921年诺贝尔物理学奖
第一章电场电流 、电荷库仑定律 「接引雷电下九天电闪雷鸣是常见的自然现象有时甚至 表现得神秘恐怖。虽然人们早就知道雷电现象能给人带来灾难, 但又无法解释、无法抵抗。蒙昧时期的人们认为雷电是“天神之 火”,在很长的历史时期内对它充满畏惧。欧洲的文艺复兴使得 科学精神得到解放。活跃的科学思想和对丰富多彩的自然现象的 好奇心,鼓舞着人们摆脱传统观念和进行独立思考的勇气,在对 电闪富呜 自然的研究上,也给了人们丰富的思想营养。 18世纪,各种静电现象首先引起了学者们的关注和研究。莱顿 瓶发明后,由于能产生强烈的电击和火花,静电现象也开始引起了 贵族和一般市民的兴趣,他们喜欢观看这种新奇的东西,乐于亲身体 验一下电击的滋味。所以在当时的欧洲流行人体带电和电击一类的 魔术”表演。这种表演使观众感受到了电的神奇和威力,激起了公 众的好奇。 1746年,在美洲波士顿的街头上,富兰克林看到了欧洲人表演 的电学实验。新奇的现象激发了他极大的兴趣,通过欧洲科学界的朋 富兰克林( Benjamin Franklin, 1706-190,美国科学家、发友,他很快就得到了一套实验仪器,并立即开始重复实验和研究。 明家、政治家,美利坚合众国 人们对闪电的研究是由对火花放电现象的观察开始的。在记载 的创始人之一。 了各种物质放电时产生的火花后,研究者们发现,火花的发声、发 光和瞬间即逝的特点,跟天上的闪电非常相似。为了研究闪电与摩擦产生的电有什么异同,富 兰克林勇敢地探索了雷电现象。 1752年6月的一个雷雨天,富兰克林冒着生命危险在美国费城 进行了著名的风筝实验,要把天电引下来看一看。他用绸子做了 A 个大风筝,在风筝顶上安了一根细铁丝,一根麻线的一端连接铁丝, 同学们千万 不要重复这样危 另一端拴一把钥匙并塞在莱顿瓶中。他和儿子一起把风筝放到天上, 险的实验! 牵着风筝的一根丝绳系在遮雨棚内。当一阵雷电打下来,他看见麻 线末端的纤维散开,并且莱顿瓶也带上了电 富兰克林成功地将天电引入莱顿瓶,还用引下的电做了实验,证明了天电和摩擦产生的电 是相同的。 ①一种可以储存电荷的仅器,详见本章第四节
第一章电场电流 富兰克林的实验证明闪电是一种放电现象,与摩擦产生的电没有 区别。他统一了天电和地电,使人类摆脱了对雷电现象的迷信。 富兰克林为我们揭开了天电的奥秘—它跟地上的电是一样的 那么,地上的电有什么性质?它从哪里来?它的存在跟我们的生活有 哪些关系? ■「电荷经过摩擦的物体,如塑料笔杆、玻璃棒,能够吸引轻小图11)如果天气干绳晚 物体我们说这些摩擦过的物体带了电荷 electric charge这些电荷上脱毛衣时,会听到“啦 静止在物体上,这类现象叫做静电现象。 声,还会看到电火花。这时 你已经制造了一些小小的 人们最早注意到的静电现象是摩擦起电。公元1世纪,我国学者“雷电” 王充在《论衡》一书中记述了“领牟掇芥”。顿牟指玳瑁的甲壳。“掇 芥”的意思是吸引芥子之类的轻小物体。古希腊人也发现 了琥珀等物体经摩擦后能吸引草屑等小物体的静电现象 欧洲文艺复兴时期,由于思想的解放,人们对自然的好奇 心很强,静电现象重新受到关注。英国学者吉尔伯特 ( William Gilbert,1544-1603)崇尚实验研究方法,发现许 多物体都有跟琥珀一样的性质,并把这类物体叫做“虢珀 体”,在拉丁文中写做 electrica,这也就是今天拉丁语系文 字中“ electricity”这个词的来源。 图1.1-2左侧装置叫做验电器,金属杆下 要想知道物体是否带了电,可以使用验电器(图1.1-2)。端的两片金属箔能国带同种电荷而张开, 在大量的摩擦起电实验中,人们发现:电荷有两种,正显示带了电,右侧是一种特殊的验电器,叫 做静电计,指针偏转的角度可以表示带电 电荷和负电荷。用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电荷,用毛皮的多少 摩擦过的硬橡胶棒带负电荷。同种电荷相互排斥,异种电 荷相互吸引。 电荷的多少叫做电荷量 quantity of electricity),用Q(或q)表示。在国际单位制中,电 荷量的单位是库仑 coulomb),简称库,用符号C表示。通常,正电荷量用正数表示,负电荷 量用负数表示。库仑是一个很大的单位,通常一把梳子与衣袖摩擦后所带的电荷量不到百万分 之一库仑,但是闪电之前在巨大云层中积累的电荷,可以达到数百库仑。 我们已经知道,物质的原子是由带正电的原子核和带负电的电子组 成的,原子核的正电荷数量与周围电子的负电荷数量一样多,所以整个( 电子 原子对外表现为电中性,在摩擦起电过程中,一些被原子核東缚得不紧电子 的电子转移到另一个物体上,于是失去电子的物体带正电,得到电子的 原子核 电子 物体带负电。在用丝绸摩擦玻璃棒时,玻璃棒上的电子跑到丝绸上去了, 玻璃棒因缺少电子而带正电,丝绸因有多余的电子而带负电。 图1.1-3原子电结构 人们还发现,除摩擦外其他方法也可以使物体带电。 的示意图
第一章电场电流 演示 感应起电 取一对用绝缘支柱支持的金属导体A、B,使它们彼此接触。起初它们不带电,贴在 它们下面的金属箔是闭合的(图1.1-4甲)。 1.带正电荷的球C移近导体A,可以看到A、B上的金属箔都张开了,这表示A、B 上都带了电(图1.1-4乙)。 2.如果把A、B分开,然后移去C,可以看到A和B仍带有电荷(图1.1-4丙)。 3.让A、B接触,金属箔就不再张开,表明它们不再带电了。 这说明A、B所带的电荷是等量的,互接触时,等量的正、负电荷发生了中和。 把电荷移近不带电的导体,可以使导体带电的现象,叫做感应起电。感应起电使导体中的 正负电荷分开,使电荷从导体的一部分转移到另一部分。 乙 图114感应起电 【电荷守恒大量事实表明,电荷既不能创生也不能消灭只能从一个物体转移到另一个 物体,或者从物体的一部分转移到另一部分,在转移的过程中,电荷的总 量不变这个结论叫做电荷守恒定律 aw of electric charge conservation), 是物理学中重要的基本定律之 到目前为止,科学实验发现的最小电荷量是电子所带的电荷量。质 子、正电子带有跟电子等量的异种电荷。这个最小的电荷用e表示 e=1.60×10-C 实验指出,所有带电物体的电荷量或者等于e,或者是e的整数倍。 因此,电荷量e叫做元电荷 elementary charge 我们知道,同种电荷互相排斥,异种电荷互相吸引,这说明电荷之图15单后的两张 间存在作用力。电荷之间的作用力是怎样发生的?有什么规律? 塑料片之间有力的作用 【库仑定律」我们用实验来研究电荷之间作用力的大小与哪些因素有关