中华学生百科全书-第243章
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
大量热，不可能是由于空气和金属中的热质所供给的，而可能是来自钻头的
运动。为证实自己的想法，他用钝钻头连续工作了两个半小时，所产生的热
使大量的冷水沸腾了。1799 年，英国化学家戴维在真空中摩擦冰块，使其溶
化，同样对热质说提出了质疑；真空中没有介质，两块冰的比热一样，溶冰
的热量只能产生于摩擦运动。但在当时，热是一种运动的概念还未立即取代
热质说。
能量守恒与转化定律
焦耳在年轻时就已经是曼彻斯特一个大啤酒厂的主人，同时也从事电磁
研究。1840 年，焦耳已发现了著名的表示电流热效应的焦耳定律：
Q＝0．24I2RT。焦耳的发现在遭到一段冷遇后得到了科学界应有的评价，从而
确立了热是一种能量的概念，而支持焦耳的开尔文则把一个热力学系统的热
力转化过程同气体分子内能的变化联系起来，在 1853 年给出了热力学第一定
律的数学公式：△u＝A＋Q。这一定律表明，如果系统在不吸收外部热量的情况
下对外做功，就必须消耗自身的内能。这一定律指出，历史上企图创造的既
不需要外界传递能量，又不消耗系统内能的第一类永动机是不可能制造出来
的。热力学第一定律所表示的关系也可以推广到如电磁、化学等形式的能量
转化过程中去，从而被理解为广义的能量守恒与转化定律。它是自然界基本
的定律之一。
由于能量守恒与转化定律是处处都在起作用的普遍规律，并且包罗了各
种自然界的能量转化过程，它恰好被许多人在这一时期同时独立地以不同形
式、不同程度地发现了。
分子运动说
当阿伏伽德罗的分子概念在 19 世纪后半叶被人们普遍接受后，克劳修斯
对宏观的热力学现象作了微观的动力学研究和解释：气体是由大量运动着的
弹性质点——分子组成的，气体分子运动时，通过各个方向上的不规则的相
互碰撞，交换动量和动能。气体的压力便是气体分子对器壁碰撞的总效应。
运动的速率（不考虑方向的速度，作为标量的速度值）随气体的温度升高而
增加，气体的热能就是分子运动的平均动能。这样，他就对气体的压力和温
度作出了微观解释。克劳修斯还从若干参数出发，导出了气体温度、压力与
分子平均动能之间的关系的数学表达式。
1860 年，英国人麦克斯韦（1831～1879）用概率统计的方法发现气体处
于热平衡时，尽管个别分子运动的速率大小是偶然的，但从整体来说，大量
气体分子的速率分布却是遵从一定规律的，在一定速率区间运动的分子数目
是相对确定的。这一规律便是气体分子速率分布规律，它是气体分子论的基
本规律之一。
认识电磁现象
对静电的研究
古代人们已经知道，琥珀和皮毛、玻璃和丝绸摩擦后会吸起轻小物体，
这实际上是静电引力。吉尔伯特也研究过物体之间的摩擦起电现象。
在此之后，德国人盖里克（1602～1686）创造了第一台静电起电机——
用手与转动的硫磺球摩擦，使球体和人体都带电。利用这种方法，他发现是
可以通过金属杆传导给另一个物体，并发现了感应起电现象。
荷兰莱顿大学的穆欣布罗克（1692～1761）正在用起电机使瓶内的水带
电，他的一个朋友的手接触到插在瓶中的铁丝后，被突然一击，这便是电震
现象。后来，穆欣布罗克根据这个实验，发明了莱顿瓶。这种静电存贮设备
的发明，使电学实验更为普遍和方便，在当时被视为一大发明。
本杰明·富兰克林（1706～1790）。这位年轻时的印刷徒工、热心于新
闻事业的企业家、用勤勉和艰苦奋斗精神教导别人的说教者、以自己的名望
和杰出才能在法国宫廷为危难中的新国家取得支持的外交家，也是电学研究
的一个先驱。
富兰克林最著名的实验是 1752 年所做的风筝实验。根据这一实验，富兰
克林发明了避雷针，这一伟大发明为工业社会的高层建筑增加了安全系数。
当然，经验证明，这不是绝对的安全，因为如果放电是振荡性质的，避雷针
可能失效。
电流的发现
意大利人伏特用舌头含着一块金币和银币，当用一根导线把它们连接起
来时，就感到了苦味。最后认识到：金属的接触是产生电流的真正原因（当
两块相同的金属接触时，只有在它们的温度不同时才会产生电流，称为温差
电效应；但当不同的金属接触时，在相同温度下亦会产生电流，这是由于接
触电势差造成的）。伏特根据他的发现制成了用锌板和铜板作为两极的伏特
电堆，这是最早的能提供稳定直流电的电池。这一发明为 19 世纪电学的实验
和发展提供了最重要的工具。由于这一发现和发明，伏特的名字成为电势（电
压）的基本单位。伏特因而被法国皇帝拿破仑邀请到法国讲学。
电动力学的诞生
对静电的研究和电流的发现，导致了电学方面的一场科学革命。
法国人安培发现：通电导体不但会对磁针发生作用，而且两根通电导体
也会相互作用。当它们有同向电流时相互吸引（与静电荷不同，相同静电荷
相互排斥）。当它们有反向电流时则相互排斥。在 3 年后，安培完整地发现
了电流使磁体偏斜的方向法则——安培法则（右手螺旋法则），并且给出了
这一法则的完美数学形式（安培定律和安培环路定律）。由于他在电动力学
上的开创性贡献，使安培的名字成为电流的单位（然而，安培生前的生活并
不如意，他的父亲在革命中被斩首，这使年轻的安培精神上受到了刺激。他
的晚年是在荣誉后面的忧虑和苦恼中度过的）。
更重大的发现接踵而来。英国大化学家戴维的助手法拉第（1791～1867）
自 1822 年以来一直思考和尝试着把磁转化成电的设想。他试图用磁产生电。
1831 年，他终于成功了。他在实验中发现：当原线圈中的电流接通或断开时
的瞬间，连接的次级线圈中会产生电流。他在反复实验中认识到：当闭合电
路的磁通量发生变化（磁场强度发生变化）时，线路里就会产生感生电流，
感生电动势的大小与闭合线路中磁通量的变化率成正比。同一时期，美国人
亨利（1799～1878）甚至比法拉第更早独立地发现了电磁感应现象，但法拉
第在 1825 年便担任了英国皇家研究院院长，由于他的地位和他对电磁世界的
理论解释，使他的影响大大超过了亨利。电磁感应定律的发现，为发电机和
电动机的制造奠定了理论基础，而法拉第也是这方面的先驱。
电磁学理论的大厦是由英国人麦克斯韦（1831～1879）最后完成的。在
领略到法拉第成就的意义之后，麦克斯韦企图用完善的数学形式来表达它。
1862 年，他论证了位移电流的存在，并预言：变化着的电场和变化着的磁场
会相互连续地产生，以波的形式向空间传播。这便是电磁波。10 年后，麦克
斯韦便把包括库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥和萨伐尔、法拉第等人发现的
定律以及他本人的位移电流理论概括为一组积分形式的方程式（共 4 条），
并因此导出了电磁场的波动方程。由于式中电磁波的传播速度就等于当时测
出的光速，麦克斯韦便预言：光也是一种电磁波。他的理论成了反映电磁运
动基本规律的普遍理论。麦克斯韦 1873 年出版的《电磁学通论》与牛顿的《自
然哲学的数学原理》和达尔文的《物种起源》同样被视为科学巨著。
认识光现象
光的本质和特点
光是光子的运动。它是光源中原子或分子中的电子运动状态发生变化时
辐射出来的光子的运动。
他还最早开始全面地研究光。他发现，点光源发出光的强度随着被照物
体与光源距离的平方成反比减弱。他还发现，光从玻璃中折射到它与空气的
界面上时，如果入射角大于 42 度，就会发生全反射。
1621 年，荷兰人斯涅尔（1591～1626）发现了光的折射定律。
荷兰人惠更斯在波动光学上贡献最大。他发现了惠更斯原理——介质中
波动传播到的各点都可以看作是发射子波的波源，任意时刻这些子波的包络
就是新的波前。
牛顿在光学研究方面也是成果累累。他几乎总结了当时人们在光学方面
的所有成果——反射、折射、干涉和颜色。他用棱镜分解了太阳光，说明了
白光中包含了 7 种颜色光，发现了牛顿环，并定量解释了牛顿环和薄膜干涉，
还提出了对以后光学和物理学发生了重大影响的问题。牛顿这方面的成就集
中体现在他的《光学》一书中。根据他的大多数观点来看，他似乎把光看作
光源向各个方面阵阵簇射出来的粒子流。
红外线和紫外线
1800 年，天文学家赫歇耳发现在太阳光谱线的红外端以下所放的温度计
明显地受到了热辐射，从而发现了红外线。紫外线不会产生显著的热效应，
但却会产生一些化学效应。通过这个途径，英国人沃拉斯顿和德国人缪勒
（1809～1875）先后发现了紫外线。
1814 年，德国人夫琅合费（1787～1826）用他制成的分光镜发现了太阳
光谱中的暗线——夫琅合费暗线。他改进仪器后仔细观察，暗线竟达几百条！
当他把分光镜对准月球、金星和火星时，在这些星的光谱里也发现了那些暗
线，这一研究开创了天体分光学。后来，基尔霍夫（1824～1887）和本生（1811～
1899）对这些暗线的研究和解释表明，它们同太阳上的元素成分有关。这一
点，开始从化学上证明，天体和地球都是由同类化学元素构成的。
近代技术的发展
纺织机器的革命
牛顿时代科学的发达又给英国人增加了精神上的优越感。一次悄悄的但
却是影响深远的技术革命随之发生了。这场革命是从英国最发达的、为海外
贸易而生产产品的纺织部门开始的。
1733 年，凯伊发明了飞梭，从此人可以不再用手抛梭织布了，织布效率
大大提高，使手工纺纱供不应求。5 年后，惠特制出了滚轮式纺纱机，这样
又不用手指纺纱了。
1764 年，哈格里沃斯（1720～1778）把单绽纺车改造成了多绽纺车，引
纱和捻纱都实现了机械操作，纺纱效率提高了十几倍。他以自己女儿珍妮的
名字称呼这个能纺出细纱的杰作。1768 年，理发师阿克莱特可能是剽窃了木
匠海斯的设计，制成水力带动的滚筒纺纱机，它能纺出不够均匀但却坚实的
纱。1774～1779 年间，当过童工的工厂主克伦普敦（1753～1827）综合了哈
格里沃斯和阿克莱特机器的优点，制出了骡机——它效率很高，纺出了既结
实又均匀的纱。这样又改变了纺织业的局面：在纺纱机面前，飞梭已嫌太慢。
1785 年，牧师卡特赖特（1743～1823）发明了自动织布机。这些机器的应用
使工厂的生产能力和利润直线上升，机器成了摇钱树。尽管它因造成工人的
失业而遭到了反对，但仍然逐渐在整个纺织业中迅速推广开了。到 1800 年
时，英国的纺织业已基本上实现了机械化。
蒸汽机的完善
1784 年，曾在格拉斯哥大学当过仪器制造工人的瓦特（1736～1819）把
纽可门的汽压机变成了能在各个工业部门应用的动力机，完成了在工业中将
热能转化成机械能的伟大勋业，使他的名字成为工业革命的象征。
瓦特出生在苏格兰偌克镇，他祖父教授数学。瓦特小时候，家里墙上挂
着耐普尔和牛顿的画像，培养了他对科学的好奇心。他 13 岁时就在父亲的作
坊里制造出一些机械模型，这使他后来选择了实验室工具制造者的职业。瓦
特懂法语、意大利语和德语，他是一个博学和智力敏锐的人，对哲学、诗和
音乐也有兴趣。
蒸汽机这样一个巨大的发明是不能在实验室中进行的，建造和实验都需
要齐全的设备和人员。因此，布莱克教授把瓦特介绍给了他的朋友—工厂主
罗巴克。他们合伙研究和应用，后来罗巴克破产，他们的合同被转让给博尔
顿。瓦特的蒸汽机终于在同后者的合伙中成功，成为工业中的动力机：具有
曲轴连杆、飞轮和离心调速器的双向蒸汽机。蒸汽的膨胀力在这里被转化成
了均匀的机械�
