焦耳的故事

謝江濤

焦耳和焦耳定律

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（1818年12月24日～1889年10月11日）英國(guó)物理學(xué)家。1818年12月24日生于索爾福。他父親是釀酒廠的廠主。焦耳從小體弱不能上學(xué)，在家跟父親學(xué)釀酒，并利用空閑時(shí)間自學(xué)化學(xué)、物理。他很喜歡電學(xué)和磁學(xué)，對(duì)實(shí)驗(yàn)特別感興趣。

青年時(shí)期，在別人的介紹下，焦耳認(rèn)識(shí)了著名的化學(xué)家道爾頓。道爾頓給予了焦耳熱情的教導(dǎo)。焦耳向他虛心的學(xué)習(xí)了數(shù)學(xué)、哲學(xué)和化學(xué)，這些知識(shí)為焦耳后來(lái)的研究奠定了理論基礎(chǔ)。而且道爾頓教會(huì)了焦耳理論與實(shí)踐相結(jié)合的科研方法，激發(fā)了焦耳對(duì)化學(xué)和物理的興趣，并在他的鼓勵(lì)下決心從事科學(xué)研究工作。后來(lái)成為英國(guó)曼徹斯特的一位釀酒師和業(yè)余科學(xué)家。焦耳可以說(shuō)是一位靠自學(xué)成才的杰出的科學(xué)家。

焦耳最早的工作是電學(xué)和磁學(xué)方面的研究，后轉(zhuǎn)向?qū)徂D(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)研究。1840年，焦耳把環(huán)形線圈放入裝水的試管內(nèi)，測(cè)量不同電流強(qiáng)度和電阻時(shí)的水溫。12月，焦耳在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)上宣讀了關(guān)于電流生熱的論文，提出電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生熱量，通電導(dǎo)體所發(fā)出的熱量與電流強(qiáng)度、導(dǎo)體電阻和通電時(shí)間的關(guān)系，此即焦耳定律。由于不久之后，俄國(guó)物理學(xué)家楞次也獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了同樣的定律，該定律也稱(chēng)為焦耳-楞次定律。

1866年，由于在熱學(xué)、電學(xué)和熱力學(xué)方面的貢獻(xiàn)，焦耳被授予英國(guó)皇家學(xué)會(huì)柯普萊金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)隆Ｓ捎谒跓釋W(xué)、熱力學(xué)和電方面的貢獻(xiàn)，皇家學(xué)會(huì)授予他最高榮譽(yù)的科普利獎(jiǎng)?wù)拢–opleyMedal）。后人為了紀(jì)念他，把能量或功的單位命名為“焦耳”，簡(jiǎn)稱(chēng)“焦”，并用焦耳姓氏的第一個(gè)字母“J”來(lái)標(biāo)記熱量。

焦耳的趣聞?shì)W事

精確的測(cè)量值在幾十年里不作大修正

焦耳是一位主要靠自學(xué)成才的科學(xué)家，他對(duì)物理學(xué)作出重要貢獻(xiàn)的過(guò)程不是一帆風(fēng)順的。1843年8月，在考爾克的一次學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)上，焦耳作了題為《論磁電的熱效應(yīng)和熱的機(jī)械值》的報(bào)告。他在報(bào)告中提出熱量與機(jī)械功之間存在著恒定的比例關(guān)系，并測(cè)得熱功當(dāng)量值為1千卡熱量，相當(dāng)于460千克米的機(jī)械功。這一結(jié)論遭到當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)家的反對(duì)。

為了證明這個(gè)發(fā)現(xiàn)是成功的，焦耳以極大的毅力，采用不同的方法，長(zhǎng)時(shí)間地反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。1843年末，焦耳通過(guò)摩擦作用測(cè)得熱功當(dāng)量是424.9千克米/千卡1千克米=9.8焦耳。1844年，焦耳通過(guò)對(duì)壓縮空氣做功和空氣溫度升高的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，測(cè)得熱功當(dāng)量是443.8千克米/千卡。尤其在1847年，焦耳精心地設(shè)計(jì)了一個(gè)著名的熱功當(dāng)量測(cè)定裝置，也就是用下降重物帶動(dòng)葉槳旋轉(zhuǎn)的方法，攪拌水或其他液體產(chǎn)生熱量。焦耳用水和鯨油做攪拌液，分別測(cè)量，然后取平均值，得到熱功當(dāng)量平均值是428.9千克米/千卡。1849年6月21日，焦耳給英國(guó)倫敦皇家學(xué)會(huì)報(bào)告了這個(gè)結(jié)果。從1849到1878年，焦耳反復(fù)做了四百多次實(shí)驗(yàn)，所得的熱功當(dāng)量值幾乎都是423.9千克米/千卡，這和現(xiàn)在公認(rèn)值427千克米/千卡相比，只小0.7%。焦耳用驚人的耐心和巧奪天工的技術(shù)，在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)得的熱功當(dāng)量值能夠在幾十年時(shí)間里不作比較大的修正，這在物理學(xué)史上也是空前的。難怪威廉·湯姆孫稱(chēng)贊說(shuō)：“焦耳具有從觀察到的極細(xì)微的效應(yīng)中作出重大結(jié)論的膽識(shí)，具有從實(shí)驗(yàn)中逼出精度來(lái)的高度技巧，充分得到人們的賞識(shí)和欽佩?！?/p>

堅(jiān)持不懈終將獲得公認(rèn)

在1845年劍橋召開(kāi)的英國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議上，焦耳又一次作了熱功當(dāng)量的研究報(bào)告，宣布熱是一種能量形式，各種形式的能量可以互相轉(zhuǎn)化。但是焦耳的觀點(diǎn)遭到與會(huì)者的否定，英國(guó)倫敦皇家學(xué)會(huì)拒絕發(fā)表他的論文。1847年4月，焦耳在曼徹斯特作了一次通俗講演，充分地闡述了能量守恒原理，但是地方報(bào)紙不理睬，在進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的交涉之后，才有一家報(bào)紙勉強(qiáng)發(fā)表了這次講演。同年6月，在英國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)的牛津會(huì)議上，焦耳再一次提出熱功當(dāng)量的研究報(bào)告，宣傳自己的新思想。會(huì)議主席只準(zhǔn)許他作簡(jiǎn)要的介紹。只是由于威廉·湯姆孫在焦耳報(bào)告結(jié)束后作了即席發(fā)言，他的新思想才引起與會(huì)者的重視。直到1850年，焦耳的科學(xué)結(jié)論才終于獲得了科學(xué)界的公認(rèn)。

要科學(xué)，不要永動(dòng)機(jī)

焦耳在探索科學(xué)真理的道路上，也走過(guò)彎路。他年輕的時(shí)候，正是“永動(dòng)機(jī)熱”席卷歐洲的時(shí)代，許多人鉆進(jìn)了永動(dòng)機(jī)的迷宮，妄想制造出一種不消耗能量永遠(yuǎn)做功的機(jī)器。焦耳也是個(gè)“永動(dòng)機(jī)迷”，曾經(jīng)狂熱地追求過(guò)永動(dòng)機(jī)，幾乎消磨了他全部的業(yè)余時(shí)間。他通宵達(dá)旦地冥思苦索、設(shè)計(jì)方案、制作機(jī)件，但是沒(méi)有一個(gè)是成功的。失敗引起了焦耳的深思，為什么乍一看設(shè)計(jì)上幾乎無(wú)懈可擊的機(jī)器，做出來(lái)卻總是一堆廢物？焦耳沒(méi)有像有些人那樣，明明進(jìn)入了迷宮，還以為走進(jìn)了科學(xué)的殿堂，碰了壁也不回頭。他吸取教訓(xùn)，迷途知返，毅然退出了幻想的迷宮，轉(zhuǎn)向腳踏實(shí)地的科學(xué)研究，探求隱藏在失敗背后的科學(xué)真諦。經(jīng)過(guò)勤奮實(shí)踐，他終于找到了熱功當(dāng)量，為建立能量守恒定律作出了杰出的貢獻(xiàn)。這個(gè)定律好比一塊路標(biāo)，插在尋找永動(dòng)機(jī)的十字路口，警告迷途人：此路不通！據(jù)說(shuō)焦耳還現(xiàn)身說(shuō)法，語(yǔ)重心長(zhǎng)地告誡那些仍舊迷戀永動(dòng)機(jī)的人說(shuō)：“不要永動(dòng)機(jī)，要科學(xué)！”

人教版物理八年級(jí)下冊(cè)第八章《電功率》課外延伸閱讀