基于物理學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 江蘇 蘇州 215101)

陸建隆

(南京師范大學教師教育學院 江蘇 南京 210097)

1 追本溯源——探尋歷史真相

1.1 兩定律誕生的時代背景

19世紀初，歐洲掀起了電學研究熱潮.1800年意大利物理學家伏打(A.Vloat，1745—1827)遞送給英國皇家學會的一封信中描述了伏打電池的設(shè)計原理，為電學研究奏響音符.伏打電堆是干電池的雛形，但缺陷也非常明顯，當時的科學家卻不知道其內(nèi)部電動勢不穩(wěn)定且存在電極極化問題.

在最初的幾年，意大利的羅邁諾西(G.D.Romagnosi，1761—1835)、德國的哈切特(J.N.P.Hachetle，1769—1834)與合作者笛鎖米斯(C.B.Desormers，1777—1862)、英國的戴維(H.Davy，1778—1829)均用電堆開展了相應實驗，未研究出成果，直到1820年，丹麥物理學家奧斯特(H.C.Oersted，1777—1851)利用小伽伐尼電池發(fā)現(xiàn)了電生磁現(xiàn)象.奧斯特被邀請到法國做學術(shù)演講并現(xiàn)場演示實驗，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，提出電學分為“電磁學”和“電動力學”兩個分支，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驗[1].英國皇家學會會長沃拉斯頓(W.H.Wollaston，1766—1828)對奧斯特的實驗也很感興趣，提出“電磁轉(zhuǎn)動”設(shè)想，認為通電螺線管附近的導線會繞軸發(fā)生轉(zhuǎn)動，在1821年9月，英國物理學家法拉第(M.Faraday，1791—1867)實現(xiàn)設(shè)想，發(fā)明了世界上第一臺直流電動機雛形，如圖1所示.

圖1 法拉第電動機雛形

1.2 歐姆定律的提出與沉淪

德國物理學家歐姆(Georg Simon Ohm，1789—1854)于1817年開始研究電學，1821年德國科學家施魏格爾(S.C.Schweigger,1779—1857)和波根道夫(J.C.Poggendorff，1796—1877)利用通電螺線管發(fā)明了簡易電流計(倍增器)，歐姆改進電流計為扭力秤，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)的角度來間接描述電流.

圖2 歐姆改進的扭力秤

圖3 探究歐姆定律的實驗裝置

式中X為電磁力，實際上就是電流，a決定于溫差電動勢，b決定于溫差電源的內(nèi)部阻抗，x為實驗導體長度.1826年4月，歐姆修改了公式

令當量長度

代入公式，化為

即為如今歐姆定律形式[3].然而提出后沒有立即得到德國電學界的承認，德國電學家重復歐姆實驗用的是化學電源，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.德國電學家忙于電動勢爭論，無暇顧及歐姆定律，就這樣到1831年英國還沒有人知道歐姆定律，直到1840年初，惠斯通(C.Wheatstone，1802—1875)將歐姆定律引入電橋測量理論，英國皇家學會才注意到歐姆的成就.

1.3 焦耳實驗的半定量描述

1818年12月24日，物理學家焦耳(J.P.Joule，1818—1889)出生于英國曼徹斯特市附近的索爾福德富商家庭，父母經(jīng)營一家釀酒廠.1832年焦耳被父親送到曼徹斯特文學與哲學學會學習，得到英國著名化學家道爾頓(J.Dalton，1766—1844)指導，1833年年僅15歲的焦耳繼承家業(yè)，邊經(jīng)營邊學習，1838年在釀酒廠里建了一個實驗室，開始初步實驗研究.焦耳注意到電機運轉(zhuǎn)摩擦生熱，認為是動力損失原因，于是開始對電流的熱效應進行定量研究[4].1841年焦耳在《哲學雜志》發(fā)表題為《關(guān)于金屬導體和電池在電解時放出的熱》論文，論文分兩部分，前一部分論述金屬導體產(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)，焦耳并沒有使用歐姆改進的扭力秤裝置，而是利用奧斯特原理自制了一個電流計.如圖4所示，用銅管彎成12英寸長，6英寸寬的長方形，銅管下方放置小磁針.焦耳自定義通過銅管電流大小，以小磁針偏轉(zhuǎn)角度33.5°記為1度電流，符號表示為1°Q[5]，這種每小時能電解9滴水的電流給焦耳實驗帶來很多方便之處.

圖4 焦耳自制的電流計

焦耳自制了5個金屬電阻，前4個為金屬電阻(銅絲電阻、鐵絲電阻)，第5個為水銀電阻(將水銀裝入長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，焦耳通過長期練習和釀酒師所具備的對溫度的敏銳感知，利用溫度計能輕松估讀到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，焦耳進行了3次實驗，結(jié)果如表1所示.

圖5 焦耳實驗裝置

表1 探究Q與R的關(guān)系

焦耳通過實驗發(fā)現(xiàn)：當一種已知量的伏打電流在已知的時間內(nèi)通過一段金屬導體時，無論該金屬導體的長度、粗細、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，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，兩者實驗的器材的選取和電流數(shù)值記錄方式不同，歐姆使用的是電動勢極其穩(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)上有力證實歐姆定律并沒有在英國推廣也沒有受到同行焦耳關(guān)注.

其次，與溫度差、熱傳導率和流量差相對應，歐姆引入物理量電動勢E，他最初把它稱為電力計力差，但論文得不到德國電學界認同，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勢概念，何談焦耳實驗從電熱與U探究？

再次，焦耳和歐姆關(guān)注點不同，釀酒師出身的焦耳一直對“熱”有著敏銳的直覺，焦耳在實驗中僅研究了變量電熱與電流，時間控制一定，熱量是用升高的溫度來半定量描述，電阻計算是通過比較不同材料的長度、橫截面積、材料和通的電荷量多少推算得到.焦耳對“熱”敏銳直覺一直驅(qū)動他準確測量出熱功當量，為能量和守恒定律奠定了不可動搖的基礎(chǔ)[7].歐姆出發(fā)于電磁力的衰減與導線長度的關(guān)系進而演變?yōu)殡姶帕Α㈦妱觿菖c阻抗之間的關(guān)系.

最后，國際電學大會對電壓、電阻和電流等電學物理量單位的統(tǒng)一以及人們對功與能的充分認識，兩定律在計算形式上才得以融會貫通.

值得關(guān)注的是，兩定律研究過程中都涉及到半定量實驗，半定量實驗研究是指實驗研究主體缺乏明確界定或?qū)嶒瀰⒘繜o法測量，不得不采取其他實驗變量替代或測量其中可測參量的研究方法[8]，這也是科學研究的常用方法.在電學探索過程中，由于科學家對電熱Q的認識不足，利用“溫度差ΔT”替代“電熱Q”的做法雖屬無奈，然數(shù)據(jù)處理得當，“溫度差ΔT”竟能很好替代“電熱Q”，得到相應比例關(guān)系.半定量實驗研究不僅為科研工作者研究復雜情景的實驗探究開辟新思路，也能為后續(xù)定量實驗的驗證埋下伏筆.

3 結(jié)束語

焦耳沒有研究Q與U一定有歷史淵源和時代的局限性，19世紀初電學的興起，人們對靜電學理論已經(jīng)了如指掌，從伏打電池的問世推動電學由“靜電”轉(zhuǎn)為“動電”研究，然而這里蘊含的知識與理論都是未知的，需要電學家們反復實踐、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時代科技發(fā)展洪流中的成員，他們的堅毅、執(zhí)著與創(chuàng)新的品質(zhì)令人稱贊，他們高超的實驗技能與永不向命運低頭的精神令人嘆服！以史鑒今，不僅是一種尊重事實的科學求實態(tài)度，更是一種超越“歷史”、創(chuàng)造“未來”的勇氣與豪邁.