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焦耳的故事

2014-04-29 00:44:03謝江濤
初中生學習·低 2014年4期
關鍵詞:科學實驗

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)英國物理學家。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,在家跟父親學釀酒,并利用空閑時間自學化學、物理。他很喜歡電學和磁學,對實驗特別感興趣。

青年時期,在別人的介紹下,焦耳認識了著名的化學家道爾頓。道爾頓給予了焦耳熱情的教導。焦耳向他虛心的學習了數學、哲學和化學,這些知識為焦耳后來的研究奠定了理論基礎。而且道爾頓教會了焦耳理論與實踐相結合的科研方法,激發了焦耳對化學和物理的興趣,并在他的鼓勵下決心從事科學研究工作。后來成為英國曼徹斯特的一位釀酒師和業余科學家。焦耳可以說是一位靠自學成才的杰出的科學家。

焦耳最早的工作是電學和磁學方面的研究,后轉向對功熱轉化的實驗研究。1840年,焦耳把環形線圈放入裝水的試管內,測量不同電流強度和電阻時的水溫。12月,焦耳在英國皇家學會上宣讀了關于電流生熱的論文,提出電流通過導體產生熱量,通電導體所發出的熱量與電流強度、導體電阻和通電時間的關系,此即焦耳定律。由于不久之后,俄國物理學家楞次也獨立發現了同樣的定律,該定律也稱為焦耳-楞次定律。

1866年,由于在熱學、電學和熱力學方面的貢獻,焦耳被授予英國皇家學會柯普萊金質獎章。由于他在熱學、熱力學和電方面的貢獻,皇家學會授予他最高榮譽的科普利獎章(CopleyMedal)。后人為了紀念他,把能量或功的單位命名為“焦耳”,簡稱“焦”,并用焦耳姓氏的第一個字母“J”來標記熱量。

焦耳的趣聞軼事

精確的測量值在幾十年里不作大修正

焦耳是一位主要靠自學成才的科學家,他對物理學作出重要貢獻的過程不是一帆風順的。1843年8月,在考爾克的一次學術報告會上,焦耳作了題為《論磁電的熱效應和熱的機械值》的報告。他在報告中提出熱量與機械功之間存在著恒定的比例關系,并測得熱功當量值為1千卡熱量,相當于460千克米的機械功。這一結論遭到當時許多物理學家的反對。

為了證明這個發現是成功的,焦耳以極大的毅力,采用不同的方法,長時間地反復進行實驗。1843年末,焦耳通過摩擦作用測得熱功當量是424.9千克米/千卡1千克米=9.8焦耳。1844年,焦耳通過對壓縮空氣做功和空氣溫度升高的關系的實驗,測得熱功當量是443.8千克米/千卡。尤其在1847年,焦耳精心地設計了一個著名的熱功當量測定裝置,也就是用下降重物帶動葉槳旋轉的方法,攪拌水或其他液體產生熱量。焦耳用水和鯨油做攪拌液,分別測量,然后取平均值,得到熱功當量平均值是428.9千克米/千卡。1849年6月21日,焦耳給英國倫敦皇家學會報告了這個結果。從1849到1878年,焦耳反復做了四百多次實驗,所得的熱功當量值幾乎都是423.9千克米/千卡,這和現在公認值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,在當時的實驗條件下,測得的熱功當量值能夠在幾十年時間里不作比較大的修正,這在物理學史上也是空前的。難怪威廉·湯姆孫稱贊說:“焦耳具有從觀察到的極細微的效應中作出重大結論的膽識,具有從實驗中逼出精度來的高度技巧,充分得到人們的賞識和欽佩。”

堅持不懈終將獲得公認

在1845年劍橋召開的英國科學協會學術會議上,焦耳又一次作了熱功當量的研究報告,宣布熱是一種能量形式,各種形式的能量可以互相轉化。但是焦耳的觀點遭到與會者的否定,英國倫敦皇家學會拒絕發表他的論文。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,但是地方報紙不理睬,在進行了長時間的交涉之后,才有一家報紙勉強發表了這次講演。同年6月,在英國科學協會的牛津會議上,焦耳再一次提出熱功當量的研究報告,宣傳自己的新思想。會議主席只準許他作簡要的介紹。只是由于威廉·湯姆孫在焦耳報告結束后作了即席發言,他的新思想才引起與會者的重視。直到1850年,焦耳的科學結論才終于獲得了科學界的公認。

要科學,不要永動機

焦耳在探索科學真理的道路上,也走過彎路。他年輕的時候,正是“永動機熱”席卷歐洲的時代,許多人鉆進了永動機的迷宮,妄想制造出一種不消耗能量永遠做功的機器。焦耳也是個“永動機迷”,曾經狂熱地追求過永動機,幾乎消磨了他全部的業余時間。他通宵達旦地冥思苦索、設計方案、制作機件,但是沒有一個是成功的。失敗引起了焦耳的深思,為什么乍一看設計上幾乎無懈可擊的機器,做出來卻總是一堆廢物?焦耳沒有像有些人那樣,明明進入了迷宮,還以為走進了科學的殿堂,碰了壁也不回頭。他吸取教訓,迷途知返,毅然退出了幻想的迷宮,轉向腳踏實地的科學研究,探求隱藏在失敗背后的科學真諦。經過勤奮實踐,他終于找到了熱功當量,為建立能量守恒定律作出了杰出的貢獻。這個定律好比一塊路標,插在尋找永動機的十字路口,警告迷途人:此路不通!據說焦耳還現身說法,語重心長地告誡那些仍舊迷戀永動機的人說:“不要永動機,要科學!”

人教版物理八年級下冊第八章《電功率》課外延伸閱讀

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