基于物理學(xué)史視角的電熱與影響因素電壓關(guān)系的探討

李 嘯

(蘇州市木瀆南行中學(xué) 江蘇 蘇州 215101)

陸建隆

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院 江蘇 南京 210097)

1 追本溯源——探尋歷史真相

1.1 兩定律誕生的時(shí)代背景

19世紀(jì)初，歐洲掀起了電學(xué)研究熱潮.1800年意大利物理學(xué)家伏打(A.Vloat，1745—1827)遞送給英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的一封信中描述了伏打電池的設(shè)計(jì)原理，為電學(xué)研究奏響音符.伏打電堆是干電池的雛形，但缺陷也非常明顯，當(dāng)時(shí)的科學(xué)家卻不知道其內(nèi)部電動(dòng)勢(shì)不穩(wěn)定且存在電極極化問(wèn)題.

在最初的幾年，意大利的羅邁諾西(G.D.Romagnosi，1761—1835)、德國(guó)的哈切特(J.N.P.Hachetle，1769—1834)與合作者笛鎖米斯(C.B.Desormers，1777—1862)、英國(guó)的戴維(H.Davy，1778—1829)均用電堆開(kāi)展了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，未研究出成果，直到1820年，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特(H.C.Oersted，1777—1851)利用小伽伐尼電池發(fā)現(xiàn)了電生磁現(xiàn)象.奧斯特被邀請(qǐng)到法國(guó)做學(xué)術(shù)演講并現(xiàn)場(chǎng)演示實(shí)驗(yàn)，引起安培(A.M.Ampère，1775—1836)、阿拉果(D.F.J.Arago，1786—1853)等人的極大興趣，這些科學(xué)家迅速地投身于電與磁之間聯(lián)系的研究.安培做了分子電流的假說(shuō)，提出電學(xué)分為“電磁學(xué)”和“電動(dòng)力學(xué)”兩個(gè)分支，其搭檔阿拉果在安培的建議下做了通電螺線管磁化鋼針實(shí)驗(yàn)[1].英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)沃拉斯頓(W.H.Wollaston，1766—1828)對(duì)奧斯特的實(shí)驗(yàn)也很感興趣，提出“電磁轉(zhuǎn)動(dòng)”設(shè)想，認(rèn)為通電螺線管附近的導(dǎo)線會(huì)繞軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，在1821年9月，英國(guó)物理學(xué)家法拉第(M.Faraday，1791—1867)實(shí)現(xiàn)設(shè)想，發(fā)明了世界上第一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)雛形，如圖1所示.

圖1 法拉第電動(dòng)機(jī)雛形

1.2 歐姆定律的提出與沉淪

德國(guó)物理學(xué)家歐姆(Georg Simon Ohm，1789—1854)于1817年開(kāi)始研究電學(xué)，1821年德國(guó)科學(xué)家施魏格爾(S.C.Schweigger,1779—1857)和波根道夫(J.C.Poggendorff，1796—1877)利用通電螺線管發(fā)明了簡(jiǎn)易電流計(jì)(倍增器)，歐姆改進(jìn)電流計(jì)為扭力秤，如圖2所示，用c上方放大鏡觀察磁針在電流磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的方向并加以刻度描述，歐姆就用磁針偏轉(zhuǎn)的角度來(lái)間接描述電流.

圖2 歐姆改進(jìn)的扭力秤

圖3 探究歐姆定律的實(shí)驗(yàn)裝置

式中X為電磁力，實(shí)際上就是電流，a決定于溫差電動(dòng)勢(shì)，b決定于溫差電源的內(nèi)部阻抗，x為實(shí)驗(yàn)導(dǎo)體長(zhǎng)度.1826年4月，歐姆修改了公式

令當(dāng)量長(zhǎng)度

代入公式，化為

即為如今歐姆定律形式[3].然而提出后沒(méi)有立即得到德國(guó)電學(xué)界的承認(rèn)，德國(guó)電學(xué)家重復(fù)歐姆實(shí)驗(yàn)用的是化學(xué)電源，不能得到精確結(jié)論，歐姆定律是否適用于一切電路(包括電解質(zhì)電路)未知.德國(guó)電學(xué)家忙于電動(dòng)勢(shì)爭(zhēng)論，無(wú)暇顧及歐姆定律，就這樣到1831年英國(guó)還沒(méi)有人知道歐姆定律，直到1840年初，惠斯通(C.Wheatstone，1802—1875)將歐姆定律引入電橋測(cè)量理論，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)才注意到歐姆的成就.

1.3 焦耳實(shí)驗(yàn)的半定量描述

1818年12月24日，物理學(xué)家焦耳(J.P.Joule，1818—1889)出生于英國(guó)曼徹斯特市附近的索爾福德富商家庭，父母經(jīng)營(yíng)一家釀酒廠.1832年焦耳被父親送到曼徹斯特文學(xué)與哲學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，得到英國(guó)著名化學(xué)家道爾頓(J.Dalton，1766—1844)指導(dǎo)，1833年年僅15歲的焦耳繼承家業(yè)，邊經(jīng)營(yíng)邊學(xué)習(xí)，1838年在釀酒廠里建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始初步實(shí)驗(yàn)研究.焦耳注意到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦生熱，認(rèn)為是動(dòng)力損失原因，于是開(kāi)始對(duì)電流的熱效應(yīng)進(jìn)行定量研究[4].1841年焦耳在《哲學(xué)雜志》發(fā)表題為《關(guān)于金屬導(dǎo)體和電池在電解時(shí)放出的熱》論文，論文分兩部分，前一部分論述金屬導(dǎo)體產(chǎn)生的熱，后一部分論述電解熱.

從焦耳的論文中可以清晰發(fā)現(xiàn)，焦耳并沒(méi)有使用歐姆改進(jìn)的扭力秤裝置，而是利用奧斯特原理自制了一個(gè)電流計(jì).如圖4所示，用銅管彎成12英寸長(zhǎng)，6英寸寬的長(zhǎng)方形，銅管下方放置小磁針.焦耳自定義通過(guò)銅管電流大小，以小磁針偏轉(zhuǎn)角度33.5°記為1度電流，符號(hào)表示為1°Q[5]，這種每小時(shí)能電解9滴水的電流給焦耳實(shí)驗(yàn)帶來(lái)很多方便之處.

圖4 焦耳自制的電流計(jì)

焦耳自制了5個(gè)金屬電阻，前4個(gè)為金屬電阻(銅絲電阻、鐵絲電阻)，第5個(gè)為水銀電阻(將水銀裝入長(zhǎng)0.58 m，直徑0.17 m的彎曲玻璃管中)，金屬電阻纏繞在玻璃管上，如圖5所示，金屬線圈之間插入棉線以防短路，玻璃罐中盛入一定量的水，焦耳通過(guò)長(zhǎng)期練習(xí)和釀酒師所具備的對(duì)溫度的敏銳感知，利用溫度計(jì)能輕松估讀到1 °F的十分之一.焦耳將金屬電阻組合串聯(lián)連接伏打電池，觀察水溫升高情況，焦耳進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示.

圖5 焦耳實(shí)驗(yàn)裝置

表1 探究Q與R的關(guān)系

焦耳通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)一種已知量的伏打電流在已知的時(shí)間內(nèi)通過(guò)一段金屬導(dǎo)體時(shí)，無(wú)論該金屬導(dǎo)體的長(zhǎng)度、粗細(xì)、形狀或種類如何，其所放出的熱，總是與它的電阻成正比[6].

焦耳再用電阻R4，通電0.5h和1h，并記錄如表2所示.

表2 探究Q與I的關(guān)系

分析表2中數(shù)據(jù)，有

焦耳分析發(fā)現(xiàn)，在誤差允許的范圍內(nèi)，電阻一定時(shí)，Q與I2近似成正比.

2 兩定律間的歷史辯證 統(tǒng)一關(guān)系

首先，兩者實(shí)驗(yàn)的器材的選取和電流數(shù)值記錄方式不同，歐姆使用的是電動(dòng)勢(shì)極其穩(wěn)定且可調(diào)的溫差電偶，而焦耳仍然使用的是最原始的伏打電池，歐姆自制的扭力秤記錄電流數(shù)值和焦耳自定義的電流值有很大差別，從數(shù)據(jù)上有力證實(shí)歐姆定律并沒(méi)有在英國(guó)推廣也沒(méi)有受到同行焦耳關(guān)注.

其次，與溫度差、熱傳導(dǎo)率和流量差相對(duì)應(yīng)，歐姆引入物理量電動(dòng)勢(shì)E，他最初把它稱為電力計(jì)力差，但論文得不到德國(guó)電學(xué)界認(rèn)同，理論偃旗息鼓多年，直到1840年以后才得以公諸于世，在此期間焦耳全然不知電動(dòng)勢(shì)概念，何談焦耳實(shí)驗(yàn)從電熱與U探究？

再次，焦耳和歐姆關(guān)注點(diǎn)不同，釀酒師出身的焦耳一直對(duì)“熱”有著敏銳的直覺(jué)，焦耳在實(shí)驗(yàn)中僅研究了變量電熱與電流，時(shí)間控制一定，熱量是用升高的溫度來(lái)半定量描述，電阻計(jì)算是通過(guò)比較不同材料的長(zhǎng)度、橫截面積、材料和通的電荷量多少推算得到.焦耳對(duì)“熱”敏銳直覺(jué)一直驅(qū)動(dòng)他準(zhǔn)確測(cè)量出熱功當(dāng)量，為能量和守恒定律奠定了不可動(dòng)搖的基礎(chǔ)[7].歐姆出發(fā)于電磁力的衰減與導(dǎo)線長(zhǎng)度的關(guān)系進(jìn)而演變?yōu)殡姶帕?、電?dòng)勢(shì)與阻抗之間的關(guān)系.

最后，國(guó)際電學(xué)大會(huì)對(duì)電壓、電阻和電流等電學(xué)物理量單位的統(tǒng)一以及人們對(duì)功與能的充分認(rèn)識(shí)，兩定律在計(jì)算形式上才得以融會(huì)貫通.

值得關(guān)注的是，兩定律研究過(guò)程中都涉及到半定量實(shí)驗(yàn)，半定量實(shí)驗(yàn)研究是指實(shí)驗(yàn)研究主體缺乏明確界定或?qū)嶒?yàn)參量無(wú)法測(cè)量，不得不采取其他實(shí)驗(yàn)變量替代或測(cè)量其中可測(cè)參量的研究方法[8]，這也是科學(xué)研究的常用方法.在電學(xué)探索過(guò)程中，由于科學(xué)家對(duì)電熱Q的認(rèn)識(shí)不足，利用“溫度差ΔT”替代“電熱Q”的做法雖屬無(wú)奈，然數(shù)據(jù)處理得當(dāng)，“溫度差ΔT”竟能很好替代“電熱Q”，得到相應(yīng)比例關(guān)系.半定量實(shí)驗(yàn)研究不僅為科研工作者研究復(fù)雜情景的實(shí)驗(yàn)探究開(kāi)辟新思路，也能為后續(xù)定量實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證埋下伏筆.

3 結(jié)束語(yǔ)

焦耳沒(méi)有研究Q與U一定有歷史淵源和時(shí)代的局限性，19世紀(jì)初電學(xué)的興起，人們對(duì)靜電學(xué)理論已經(jīng)了如指掌，從伏打電池的問(wèn)世推動(dòng)電學(xué)由“靜電”轉(zhuǎn)為“動(dòng)電”研究，然而這里蘊(yùn)含的知識(shí)與理論都是未知的，需要電學(xué)家們反復(fù)實(shí)踐、摸索并提出自己的猜想，建立模型與創(chuàng)設(shè)新的理論，歐姆和焦耳正是順應(yīng)時(shí)代科技發(fā)展洪流中的成員，他們的堅(jiān)毅、執(zhí)著與創(chuàng)新的品質(zhì)令人稱贊，他們高超的實(shí)驗(yàn)技能與永不向命運(yùn)低頭的精神令人嘆服！以史鑒今，不僅是一種尊重事實(shí)的科學(xué)求實(shí)態(tài)度，更是一種超越“歷史”、創(chuàng)造“未來(lái)”的勇氣與豪邁.