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，集電磁學大成的偉大科學家。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，不僅科學地預言了電磁波的存在，而且揭示了光、電、磁現(xiàn)象的本質(zhì)的統(tǒng)一性，完成了物理學的又一次大綜合。這一理論自然科學的成果，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。 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械和研究科學問題，他這種對科學的強烈愛好，對麥克斯韋一生有深刻的影響。麥克斯韋10歲進入愛丁堡中學， 14歲在中學時期就發(fā)表了第一篇科學

2、論文《論卵形曲線的機械畫法》，反映了他在幾何和代數(shù)方面的豐富知識。16歲進入愛丁堡大學學習物理，三年后，他轉學到劍橋大學三一學院。在劍橋?qū)W習時，打下了扎實的數(shù)學基礎，為他爾后把數(shù)學分析和實驗研究緊密結合創(chuàng)造了條件。他閱讀了W·湯姆生的科學著作，他十分贊同法拉第提出的新觀點，并且精心研究法拉第的《電學的實驗研究》一書。他以法拉第的力線概念為指導，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)學表述，并且由此導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)學語

3、言，還沒有引導到新的結果。1862年他發(fā)表了第二篇論文《論物理力線》，不但進一步發(fā)展了法拉第的思想，擴充到磁場變化產(chǎn)生電場，而且得到了新的結果：電場變化產(chǎn)生磁場，由此預言了電磁波的存在，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到的主要結果。1864年他的第三篇論文《電磁場的動力學理論》，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《電學和磁學論》一書是集電磁學大成的劃時代著作，全面地總結了19世紀中葉以前對電磁現(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《自然哲學的數(shù)學原理》、達爾文的《物

4、種起源》和賴爾的《地質(zhì)學原理》相媲美的里程碑式的著作。 麥克斯韋在總結前人工作的基礎上，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、光的電磁學說。 麥克斯韋被大多數(shù)近代物理學家看作是19世紀的科學家，但他對20世紀的物理學影響很大，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念會上曾指出：麥克斯韋的工作“是牛頓以來，物理學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家之一的工作是他關于電磁學的研究，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)學表達出來。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，麥克斯韋在物理學其他領域中也有重大貢獻。20多歲時麥克斯韋曾寫過一篇有關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多年以后當一架“航行者”太空推測器到達土星周圍時，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貢獻在電磁學方面，同時在天體物理學、氣體分子運動論、熱力學、統(tǒng)計物理學等方面，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鐫刻在經(jīng)典物理學家的門扉上，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；從功績來說，他屬于全世界”。