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第4章 物理大发明(3)

下一步的进展是法国的杜菲(du Fay)作出的。格雷的实验引起了他很大的兴趣,他总结了前人的经验,提出了许多问题,例如:

(1)是不是所有物体都可以靠摩擦带电,电是不是物质的普遍属性?

(2)是不是当所有物体接触或靠近带电体时都可以获得电?

(3)哪些物体会使电的传递停滞,哪些利于电的传递?哪些物体最容易被带电体吸引?

(4)斥力和吸力之间有什么关系?它们之间是否有联系,抑或是完全独立的?

(5)在虚空处、在压缩空气中、在高温下,电的强度是增还是减?

(6)电和产生光的能力之间有什么关系?这是大多数带电体的共同特性。这一关系可以得出什么结论?

为了解答这些问题,杜菲进行了一系列实验。他首先发现能够带电的不仅限于琥珀之类的物品,任何东西,包括金属都可以带电,于是他纠正了前人将物体分为“电的”和“非电的”两类的做法。为了证实一切物体都可以带电,杜菲以自己的身躯做实验。他让助手用绳子把自己悬吊在天花板上,然后带上电;当另一个人接近他时,从他身上发出电火花,产生噼噼啪啪的声响。

杜菲最大的贡献是分清有两种电。他把两小块软木包上金箔,用丝线悬挂在天花板下,取一玻璃棒,用丝绸摩擦后,分别接触这两块软木,结果软木互相排斥。他又做了一个实验,取一松香棒,用羊皮摩擦后接触一软木,而用丝绸摩擦后的玻璃棒接触另一软木,结果发现两者互相吸引。他再用其他许多材料继续实验,发现有的相互吸引,有的互相排斥。于是杜菲认定电有两种。他把玻璃产生的电称为“玻璃电”,松香产生的电叫“松香电”。

莱顿瓶的发明使电学研究又上了一个台阶。1745年,德国的克莱斯特(E.G.Kleist)做了一个实验。他用铁钉把电通到窄口药瓶中,瓶中盛水,瓶子与其他物体绝缘。原来他是想把电存在水中。读者也许会觉得他的想法太幼稚,请不要讥笑他,原始的观念往往导致科学的重大发明。克莱斯特试验果然有一定效果,他再用铁钉将瓶内的水和外界接通时,出现了强烈的放电现象。

克莱斯特没有放过这一现象,而是进一步寻找储存电的规律。他发现,瓶口及外表面必须干燥,如果瓶里装的是水银或酒精,效果更好。

克莱斯特把这一发现写信告诉了好几位友人,他们都回信说重复做了实验却没有能够得到同样的结果,原来克莱斯特在信中少说了一句话:实验者在用钉子通电时,要手持瓶子的外表面,人站在地上(注:也就是说,瓶子的外表面必须接地!)。由于这个原因,克莱斯特的发明没有引起人们的注意。

与此同时,另外有一位实验家在荷兰也做了类似的实验。他是莱顿大学物理学教授穆欣布罗克(P.Musschenbruck)。他把金属枪管悬挂在空中,与起电机连接,另外从枪管引出一根铜线,浸入盛水的玻璃瓶中,助手一只手拿着玻璃瓶,穆欣布罗克在一旁摇摩擦起电机。正在这时,助手无意识地将另一只手碰到枪管,顿时感到电击。于是穆欣布罗克自己来拿瓶子,当他一只手碰到枪管时,果然也遭到强烈的电击。

穆欣布罗克不久在给友人的信中写道:“蒙上帝怜悯,我才免于一死。就是为法兰西王国我也不愿再冒这个险了。”信中他详细描述了实验的条件,所用器材和人的姿势。写得如此真切,令有冒险精神的读者无不跃跃欲试。后来这封信公开发表,许多人重复了莱顿的实验,莱顿瓶也由此得名。

在用莱顿瓶做试验的人当中,有一位法国电学实验家叫诺勒特(J.A.Nollet)最为出色。他改进了莱顿瓶,大大地提高了电的容量。1748年他在巴黎让二百多名修道士在巴黎修道院前手拉手排成圆圈,让领头的和排尾的手握莱顿瓶的引线。当莱顿瓶放电时,几百名修道士同时跳起来,使在场的贵族们无不目瞪口呆。诺勒特组织的表演使电的声威达到了高潮。

傅科摆的发明

胡克曾在1679年给牛顿去信,询问地球表面上落体的轨迹。他问牛顿:如果考虑地球在公转之外还有自转,空中一物体下落的轨迹是怎样的?如果在地球内部物体落在地心附近又会怎样?牛顿在复信中回答:由于地球自西向东转,空中一物体向地心落下的轨迹应向东偏离垂直线,至地心附近沿一螺旋线落向地心。胡克对牛顿的回答很不满意。再次去信指出:根本不类似于一螺旋线,不如说是某种椭圆,沿与赤道平面成51°32′的斜面向东南方向落下。胡克这一提示使牛顿吃了一惊,认识到自己对地球的运动了解得不够清楚。胡克这一很有分量的提示不是凭空提出来的,他详细研究过落体运动。

据说,他曾做过子弹从高处下落的实验,并证明了子弹落点总要落到通过垂直悬吊着的同样的子弹所求出的垂直点的东南方向。如果这一传闻属实,胡克的落体实验应该算是最早能证明地球自转的实验了。

这样的实验直到19世纪还有人在做。因为自从哥白尼提出日心说以来,虽然经过长期的论证,人们对地球的运动已经深信不疑,但还缺少直接的实验以证明地球的自转。这类实验是很有价值的,因为由此可以进一步研究与地球自转有关的许多自然现象。

不少人致力于用落体证明地球的自转。例如:1791年加格利耳米尼(G.B.Guglielmini)从波洛尼亚的塔上、1802年本岑伯(J.F.Bengenberg)从汉堡的塔上都做了落体实验,专门研究这个问题。1833年德国的莱希更进一步找了一个矿井做落体实验。这个矿井在德国萨克森,井深188米。莱希在106次独立的观测中得到的平均偏离为28毫米,方向是东偏南。但是,所有这些实验都无法直接向广大观众演示,因为偏离过于微小,气流的干扰会严重影响实验结果。

以实验方法为地球自转提供直接证据的是傅科(J.B.L.Foucault)的摆锤实验,也就是有名的傅科摆。

傅科是法国著名实验物理学家,他学过医学,当过几年医生,后来转向物理学的实验研究。1845年任《辩论》报的科学记者,经常为科学专栏撰稿,介绍当代科学的新进展。同时,他也在自己家中开展物理实验。他研究过照相术,并用之于天文摄影。他对摆和地球自转问题的兴趣,正是起因于天文观察。1845年,他和斐索(A.H.L.Fizeau)合作,曾拍摄到太阳的照片,后来又想拍摄星体照片,这就需要进行长时间的曝光,望远镜系统在拍摄过程应能连续保持指向天空中的目标。为了控制望远镜系统的运动,使它能跟踪目标,傅科依照17世纪惠更斯未曾实现的圆锥摆钟的设计方案,做了一台特殊的钟。他用一根钢棒支撑摆锤。在实验过程中,他注意到,当把钢棒夹在车床的卡子上,用手转动车床时,钢棒振动总是要维持它原来的振动平面,不随车床转动。

这一不期而遇的现象,引起了傅科的兴趣,使他想到可不可以用类似的方法做一个表演来证明地球的自转。他知道这是一个很有价值的实验。

1851年1月8日,傅科在他家里的天花板下用2米长的钢丝吊一个5千克重的摆锤,组成可沿任意方向摆动的摆。在摆动的最高处用一根丝线拉住,然后用火烧断丝线,摆就开始摆动。傅科发现,摆动平面不断旋转,逐渐转向“天球昼夜运动的方向”。随后,傅科又在巴黎天文台的大厅里,用11米长的摆锤重复这一实验。1851年2月3日,傅科向法国科学院报告了他的发现,宣布摆动平面所描绘的圆的大小与纬度的正弦成反比。这个实验不久又按比例扩大规模,搬到巴黎的伟人祠去做。一个28千克的重球用67米长、1.4毫米粗的金属丝挂起。伟人祠挤满了观众,这个实验引起人们极大的兴趣。

傅科是一位很有才华的实验物理学家。他还在光速的测量上有过重大的发明创造。

避雷针的发明

1746年,在美国波士顿举行的电学实验讲演会上,有一位听众入神地听着莱顿瓶实验的故事,他就是富兰克林(B.Franklin),那时他已40岁。他是美国著名的政治活动家和外交家,原先当过印刷学徒工,自学成才,对自然科学很感兴趣,但直到40多岁,才有功夫从事电学研究。

他第一个提出电荷概念,用数学上的正负概念来表示两种电荷的性质,并且通过实验确定电荷守恒定律。大家都知道,避雷针是富兰克林的一项重大发明,由于有了避雷针,人类避免了许多天然灾害。然而,富兰克林发明避雷针,原本并不是为了解决现实生活中的难题,而是出于对天电的探索研究。他的这项研究成果,不但有助于破除人们对自然的迷信,认识了雷电的真实性质,而且对电学的发展有重大意义。

自古以来,天电、地电互不相关,地面上人们已经进行了许多实验,对电的性质已有所了解,但对天上的雷电却仍感到是神秘莫测。到18世纪中叶,已经有不少人认为闪电和电火花类似。富兰克林也和他们一样,通过对比说明两者的相似性,不过富兰克林的认识比别人深刻,例如:他在一封书信中列举了电流体与闪电在如下特点上一致:

①发光;②光的颜色;③弯曲的方向;④快速运动;⑤被金属传导;⑥爆发时有霹雳声或噪声;⑦在水中或冰中仍能维持;⑧劈开它所通过的物体;⑨杀死动物;熔化金属;使易燃物燃烧;硫磺气味。

然而他又认为,仅仅靠对比,还不足以作出科学论断。要确证天电、地电的一致性,最好的证据是捉住天电,也就是把天电引到地面上来做对比实验。为此他提出了一个方案,在高处安一岗亭,利用尖端把低云掠过时所带的电引到地面上来。

第一个按照富兰克林建议进行实验的是法国的达里巴尔德(T.F.Dalibrard)。他在巴黎近郊马里村的高地上建造了一所岗亭,岗亭上树立起高约14米的铁杆。1752年5月10日,黑云压天,雷雨将临,达里巴尔德和他的同事成功地把天电引进了莱顿瓶。5月13日,他向法国科学院报告了这一实验,并且说,实验的成功不但证明了闪电和电的等同性,还表明可以利用富兰克林的方法保护房屋建筑免遭雷击。

从此,到处都在重复金属尖端做避雷器的试验。富兰克林则认为,巴黎实验中用的铁杆还不够高,难以证明电是从云端引下来的,一个新的思想掠过他的脑海,何不用风筝把天电引下来做试验呢?于是,他用两根轻的杉木条做成小十字架,用丝绸手帕蒙上,扎好。取一根尖细铁丝固定在十字架的一头,伸出约半米长,拴上牵引风筝的亚麻绳,亚麻绳的下端接丝绸带,在接头处挂一把钥匙。在他儿子的陪同下,他把风筝放上天,只等雷雨天气的到来。1752年10月19日他在给友人柯林孙(P.Collinson)的信中描述了实验的情况。由于雨水打湿了风筝和牵引风筝的亚麻绳,云层中的电沿湿绳传到莱顿瓶里。等雨过后,拆下莱顿瓶,再按通常的方法使莱顿瓶放电,放出的电跟用摩擦起电机产生的电毫无两样。富兰克林写道:“由此即可完全证明电物质和闪电纯属同一回事。”

富兰克林还做过一个有名的金属桶实验,目的是设法从带电的金属桶内取出电来,他用木髓球与金属桶的内表面接触,看木髓球是否带电,可是无论如何都无法使木髓球带电。富兰克林只好写信给他的英国朋友请教,这一请教,竟导致了一个新定律的发现。这个新定律甚至奠定了电学的基础。这就是所谓的库仑定律。

电报和电话的发明

19世纪上半叶,由于电学研究的开展和电磁方面的新发现,社会上激起了广泛的热情,急切希望把这些科学成果应用于生活和生产中。其中电报和电话的发明和改进,尤其具有突出而深远的影响。

首先发明了电磁式有线电报。早在18世纪初,当格雷发现电传导性后,人们就开始探索如何用电进行通信,许多方案被提了出来,有的还试着实践一番。例如:1774年瑞士有一位工程师叫勒萨奇,利用摩擦起电,实现了最早的有线电通信。1787年西班牙的贝坦考特用莱顿瓶实现了电报传递。1809年法国人赛梅林发明电化学电报机,通过电解的气泡来反映传递的信号。然而,由于传递速度太慢,信号不够准确,这些努力都没有取得成功。

19世纪二三十年代发现了电磁感应,做成了电磁铁,当时的条件就不同了。许多人在不同的地方,不约而同地提出了用电磁效应传递电报的各种方法,纷纷宣布发明了有线电报。

有趣的是,物理学家和工程师提出的许多方案大多因不满足实际需要而被淘汰,真正经得起考验的却是一位不懂电学的画家莫尔斯(S.Morse)所发明的电磁式电报机。莫尔斯电报机并没有什么深奥的原理,可贵的是这位发明者的探索精神和执著追求。

在他之前,著名物理学家安培(A.M.Ampere)曾建议用磁针的偏转指示信号。26根导线对应26个字母,磁针放在接收一端的字母旁边,信号电流通过导线,磁针就偏向一定的方向,指示出电报中相应的字母。1832年,俄国人希林根据这一建议,发明了一台用6个磁针的偏转来表示字母的磁针式电报机,并用6根导线把收、发两端联接起来,在两座大楼间成功地进行了信号传递。

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