高中物理 第3章 電磁波 第1節(jié) 電磁波的產(chǎn)生 麥克斯韋簡介素材 魯科版選修3-4（通用）

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1、麥克斯韋簡介 麥克斯韋(1831-1879)是繼法拉第之后，集電磁學(xué)大成的偉大科學(xué)家。他依據(jù)庫侖、高斯、歐姆、安培、畢奧、薩伐爾、法拉第等前人的一系列發(fā)現(xiàn)和實驗成果，建立了第一個完整的電磁理論體系，不僅科學(xué)地預(yù)言了電磁波的存在，而且揭示了光、電、磁現(xiàn)象的本質(zhì)的統(tǒng)一性，完成了物理學(xué)的又一次大綜合。這一理論自然科學(xué)的成果，奠定了現(xiàn)代的電力工業(yè)、電子工業(yè)和無線電工業(yè)的基礎(chǔ)。 麥克斯韋1831年6月出生于英國愛丁堡，他的父親原是律師，但他的主要興趣是在制作各種機(jī)械和研究科學(xué)問題，他這種對科學(xué)的強(qiáng)烈愛好，對麥克斯韋一生有深刻的影響。麥克斯韋10歲進(jìn)入愛丁堡中學(xué)， 14歲在中學(xué)時期就發(fā)表了第一篇科學(xué)

2、論文《論卵形曲線的機(jī)械畫法》，反映了他在幾何和代數(shù)方面的豐富知識。16歲進(jìn)入愛丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)物理，三年后，他轉(zhuǎn)學(xué)到劍橋大學(xué)三一學(xué)院。在劍橋?qū)W習(xí)時，打下了扎實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，為他爾后把數(shù)學(xué)分析和實驗研究緊密結(jié)合創(chuàng)造了條件。他閱讀了W·湯姆生的科學(xué)著作，他十分贊同法拉第提出的新觀點，并且精心研究法拉第的《電學(xué)的實驗研究》一書。他以法拉第的力線概念為指導(dǎo)，透過這些似乎雜亂無章的實驗記錄，看出了它們之間實際上貫穿著一些簡單的規(guī)律。于是，他發(fā)表了第一篇電磁學(xué)論文《論法拉第的力線》。在這篇論文中，法拉第的力線概念獲得了精確的數(shù)學(xué)表述，并且由此導(dǎo)出了庫侖定律和高斯定律。這篇文章還只是限于把法拉第的思想翻譯成數(shù)學(xué)語

3、言，還沒有引導(dǎo)到新的結(jié)果。1862年他發(fā)表了第二篇論文《論物理力線》，不但進(jìn)一步發(fā)展了法拉第的思想，擴(kuò)充到磁場變化產(chǎn)生電場，而且得到了新的結(jié)果：電場變化產(chǎn)生磁場，由此預(yù)言了電磁波的存在，并證明了這種波的速度等于光速，揭示了光的電磁本質(zhì)。這篇文章包括了麥克斯韋研究電磁理論達(dá)到的主要結(jié)果。1864年他的第三篇論文《電磁場的動力學(xué)理論》，從幾個基本實驗事實出發(fā)，運用場論的觀點，以演繹法建立了系統(tǒng)的電磁理論。1873年出版的《電學(xué)和磁學(xué)論》一書是集電磁學(xué)大成的劃時代著作，全面地總結(jié)了19世紀(jì)中葉以前對電磁現(xiàn)象的研究成果，建立了完整的電磁理論體系。這是一部可以同牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》、達(dá)爾文的《物

4、種起源》和賴爾的《地質(zhì)學(xué)原理》相媲美的里程碑式的著作。 麥克斯韋在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，引入位移電流的概念，建立了一組微分方程。這方程組確定電荷、電流（運動的電荷）、電場、磁場之間的普遍聯(lián)系，是電磁學(xué)的基本方程，麥克斯韋方程組表明，空間某處只要有變化的磁場就能激發(fā)出渦旋電場，而變化的電場又能激發(fā)渦旋磁場。交變的電場和磁場互相激發(fā)就形成了連續(xù)不斷的電磁振蕩即電磁波。麥克斯韋方程還說明，電磁波的速度只隨介質(zhì)的電和磁的性質(zhì)而變化，由此式可證明電微波在以太（即真空）中傳播的速度，等于光在真空中傳播的速度。這不是偶然的巧合，而是由于光和電磁波在本質(zhì)上是相同的。光是一定波長的電磁波，這就是麥克斯韋創(chuàng)立的

5、光的電磁學(xué)說。 麥克斯韋被大多數(shù)近代物理學(xué)家看作是19世紀(jì)的科學(xué)家，但他對20世紀(jì)的物理學(xué)影響很大，他與牛頓和愛因斯坦齊名。1931年愛因斯坦在麥克斯韋生辰百年紀(jì)念會上曾指出：麥克斯韋的工作“是牛頓以來，物理學(xué)最深刻和最富有成果的工作”，從而使物理現(xiàn)實的概念得到了改變。麥克斯韋提出的電磁輻射的概念和他的場方程組，是根據(jù)法拉第的電力線和磁力線的實驗觀察提出來的，從而引出了愛因斯坦的狹義相對論，并建立了質(zhì)量和能量的等效性原理。使麥克斯韋成為歷史上最偉大的科學(xué)家之一的工作是他關(guān)于電磁學(xué)的研究，麥克斯韋說，他最重要的工作是把法拉第的物理觀點用數(shù)學(xué)表達(dá)出來。麥克斯韋曾表示電磁波是能在實驗室內(nèi)產(chǎn)生的，這

6、種可能性首先由赫茲在1887年實現(xiàn)了，這時麥克斯韋以去世8年。所以，具有廣泛應(yīng)用價值的無線電工業(yè)實際上來源于麥克斯韋的著述。在電磁理論以外，麥克斯韋在物理學(xué)其他領(lǐng)域中也有重大貢獻(xiàn)。20多歲時麥克斯韋曾寫過一篇有關(guān)土星的論文證實土星外圍的那些換都是由一塊塊不相粘附的物質(zhì)組成的，100多年以后當(dāng)一架“航行者”太空推測器到達(dá)土星周圍時，證實了這一理論。1871年麥克斯韋被推選為卡文迪什講座教授。他設(shè)計了卡文迪什實驗室，而且親自監(jiān)督施工。 麥克斯韋的主要科學(xué)貢獻(xiàn)在電磁學(xué)方面，同時在天體物理學(xué)、氣體分子運動論、熱力學(xué)、統(tǒng)計物理學(xué)等方面，都作出了卓越的成績。正如量子論的創(chuàng)立者普朗克（Max Plank l858—1947）指出的：“麥克斯韋的光輝名字將永遠(yuǎn)鐫刻在經(jīng)典物理學(xué)家的門扉上，永放光芒。從生地來說，他屬于愛丁堡；從個性來說，他屬于劍橋大學(xué)；從功績來說，他屬于全世界”。