您好,欢迎来到山东科学技术出版社 2021年01月18日 星期一

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走进物理世界——电子技术与光本质探索

走进物理世界——电子技术与光本质探索

  • 作 者:邢春飞
  • ISBN:978-7-5723-0225-1
  • 出版社:山东科学技术出版社
  • 出版时间:2020.08
  • 版次:1
  • 字数:
  • 页数:212
  • 开本:大32开
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内容提要

本书介绍了电子技术的发展史和光本质探索的历史,从电磁科学的建立到电子战,从火的神话传说到光的波粒二象性。其中既有深刻的思想,也有生动的故事,可以帮助读者消除对物理的隔膜,培养学习物理的兴趣。内容分为两大部分——电子技术和光本质探索,共包含63篇相对独立的文章,其中与电子技术有关的文章34篇,与光本质探索有关的文章29篇。

1.1  奥斯特的发现

奥斯特(1777—1851)是丹麦物理学家,1777 年 8 月 14 日生于丹麦一个药剂师家庭。由于家庭清贫,只能在家自学,没有进入正规学校读书。不过受家庭的影响,奥斯特小时候就对药物学、化学实验和物理学产生了浓厚的兴趣。

1794 年,通过中学毕业考试后,奥斯特以同等学力考入哥本哈根大学攻读医学和哲学,同时学习了一些别的自然科学课程,并于 1799 年获得哲学博士学位。 受到康德哲学的影响,他坚信电现象和磁现象具有共同的根源,并开始了电与磁的研究。1806 年,奥斯特任哥本哈根大学自然哲学教授。18世纪中叶,美国科学家和社会活动家富兰克林发现,借助莱顿瓶(类似于一种电容器)放电能使钢针磁化。这一现象使奥斯特更加坚信电转化为磁是可以实现的。可究竟应如何实现呢?这个问题一直困扰着他。

*初,根据电流通过较细金属丝会发热的现象,奥斯特推测:如果金属丝更细,就会发热更多,以至于发光;如果金属丝再细,电就会转化为磁。按照这个思路,奥斯特的实验始终没有任何进展。

直到 1820 年的一天,作为哥本哈根大学教授的奥斯特,在向学生演示电流和热的关系时,意想不到的现象出现了。他的助手在讲桌上放置了一个伏打电堆,用很细的铂丝把它的两极连起来,铂丝被“烧”得通红。奥斯特在向学生解释这种现象时,无意中发现悬挂在一根金属丝下的小磁针发生了偏转,偏转后的小磁针已经不再指南北方向,而是在垂直于通电铂丝的方向停了下来。“电和磁现象之间,必然存在着某种联系……”

这是他 1807 年的想法,现在研究多年的电(流)生磁现象终于出现了。虽然听课的学生对此没有任何反应,但奥斯特却激动万分,他极力控制着自己的情绪。课后他吩咐助手,实验桌上的东西都保持原样。待学生离开后,他又冲到实验桌前,一遍又一遍地重复刚刚发现的这个极不寻常的现象。在实验之后,他还把这一喜讯立即写信告诉了他的好朋友、法国科学家安培。

起初,奥斯特认为,磁针的转动也许是由于电流生热使周围空气流动引起的。为验证这种观点,他把一块硬纸板放在导线与小磁针之间以阻挡气流,后来又在通电导线与磁针间放置各种物体,甚至把磁针放在水里。他发现,这些改变了的条件对实验结果毫无影响,即通电前磁针指南北,通电后磁针立即偏转,并在与铂丝垂直的方向上停下来。此后,他不断改变磁针的位置、改变铂丝的方向,*后得出电流对磁针的作用是使磁针偏转的原因。后来他又用了 8 种不同材料的导线做实验,发现磁针的偏转与导线的材料无关,只与电流有关。

通过 3 个月不断的实验,奥斯特终于在 1820 年 7 月 21 日在法国《化学与物理学年鉴》杂志上发表了他的论文。该杂志不仅破例予以全文发表,还加上了这样不同寻常的按语:“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,至今我们都因为能够坚持这一方针而自诩。但是,至于说到奥斯特先生的文章,则其所得结果无论显得多么奇特,都有极详细的记录为证,以至于无任何怀疑其为谬误的余地。”由此可见电流的磁效应的发现,在当时的科学界中就被认为具有里程碑的意义。电流磁效应的发现,推动了欧姆、安培和法拉第的研究工作,也间接影响了麦克斯韦、赫兹等人的研究。这一发现揭开了电磁学研究与发展的序幕,标志着电磁学时代的到来。

奥斯特发现电流的磁效应,既有偶然性,也有其必然性。之所以说是偶然的,首先是因为机会转瞬即逝,要看能否抓得住;其次假设当时实验时铂丝沿东西方向放置,或近似沿东西方向放置,偏转现象就会大打折扣,或者根本就观察不到小磁针的偏转,也就发现不了电流的磁效应,可见在科学发现中有很多偶然因素。之所以说又是必然的,是因为奥斯特深受康德关于自然界的统一性思想的影响,而且人类对电学的认识越来越深入,尤其是在富兰克林发现钢针磁化现象后,发现电流的磁效应令人感到是水到渠成的事。

奥斯特还是一位杰出的教育家,他编写的教材《自然界普遍规律的科学》,使用时间超过了半个世纪。他还热衷于普及科学知识的工作。一直到晚年,奥斯特仍然积极从事各种社会活动,深受丹麦人民的爱戴。他晚年还研究了物质的顺磁性和抗磁性。

1851 年 3 月 9 日,74 岁的奥斯特卒于哥本哈根。为了纪念他,1934 年,磁场强度单位被命名为奥斯特。

精彩导读

目 录

上篇 电子技术

一、电磁科学的发展 …………………………………………… 2

1.1奥斯特的发现 ……………………………………… 2

1.2安培的贡献 ………………………………………… 6

1.3法拉第的发现 ……………………………………… 9

1.4麦克斯韦的总结 ………………………………14

1.5赫兹的证明 ………………………………………18

1.6马可尼和波波夫的发明 …………………………20

二、电子的发现 ……………………………………………… 24

2.1爱迪生效应 ………………………………………24

2.2阴极射线的本质之争 ……………………………27

2.3汤姆逊发现电子 …………………………………33

2.4电子发现的启示 …………………………………39

三、电通信与电子设备的发明 ……………………………… 41

3.1早期的电报 ………………………………………41

3.2莫尔斯发明电报 …………………………………44

3.3电话的发明 ………………………………………47

3.4电子管的发明 ……………………………………53

3.5晶体管的发明 ……………………………………58

3.6失败的硅谷第一人——肖克利 …………………62

3.7集成电路的发明 …………………………………67

四、神奇的雷达 ……………………………………………… 72

4.1雷达的原理 ………………………………………72

4.2二战中英国的雷达网 ……………………………75

4.3二战中英国靠雷达制胜 …………………………78

4.4二战中英国与德国的雷达战 ……………………80

4.5缺少雷达葬送日本海军 …………………………83

4.6二战后雷达的发展 ………………………………85

4.7雷达与运筹学 ……………………………………87

4.8说说预警机 ………………………………………90

五、电子战传奇 ……………………………………………… 96

5.1从音乐导航到“弯腿”计划 ……………………… 96

5.2电子欺骗 …………………………………………98

5.3电子伪装术 ……………………………………… 101

5.4“天窗”——箔条干扰 ………………………… 103

5.5响尾蛇导弹 ……………………………………… 105

5.6越南战争中的电子对抗 ………………………… 112

5.7贝卡谷地大战 …………………………………… 116

5.8从马岛之战到首次“外科手术式打击” ……… 118

5.9海湾战争中的电子战 …………………………… 121

下篇 光本质探索

六、神话传说里的光 ………………………………………… 124

6.1燧人氏的故事 …………………………………… 125

6.2普罗米修斯与奥运圣火 ………………………… 128

七、光的微粒说 ……………………………………………… 131

7.1微粒说的起源 …………………………………… 131

7.2笛卡儿的机械微粒观点 ………………………… 133

7.3牛顿的微粒说 …………………………………… 134

八、光是一种波 ……………………………………………… 137

8.1牛顿环 …………………………………………… 137

8.2惠更斯的波动说 ………………………………… 139

8.3杨氏双缝干涉实验 ……………………………… 141

8.4菲涅耳的衍射实验 ……………………………… 148

8.5光的偏振现象的发现 …………………………… 153

8.6波动说与光的偏振 ……………………………… 157

九、光是一种电磁波 ………………………………………… 160

9.1麦克斯韦的预言 ………………………………… 160

9.2电磁波的发现——赫兹实验 …………………… 163

9.3光速的测定 ……………………………………… 166

十、问苍天“以太”为何物 ………………………………… 170

10.1“以太”的由来 ………………………………… 170

10.2光的“以太”说 ………………………………… 172

10.3 “以太漂移”的早期观测 ……………………… 174

10.4迈克尔逊 - 莫雷实验 …………………………… 179

十一、光电效应与粒子说的复兴 …………………………… 183

11.1光电效应的发现 ………………………………… 183

11.2对光电效应的后续研究 ………………………… 185

11.3光量子与光电效应方程 ………………………… 188

11.4密立根的贡献 …………………………………… 192

11.5光电效应的应用 ………………………………… 196

11.6多光子光电效应的发现 ………………………… 197

十二、光的波粒二象性 ……………………………………… 200

12.1爱因斯坦与光的波粒二象性的提出 …………… 200

12.2X 射线本质之争 ………………………………… 202

12.3康普顿效应 ……………………………………… 204

12.4德布罗意假说与物质波 ………………………… 209

12.5历史的启示 ……………………………………… 211

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