登陆注册
15170500000003

第3章 物理大发明(3)

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。

1833年,又有两位物理学家高斯(J.K.F.Gauss)和韦伯(W.Weber)合作,做成磁强计电报机。

他们只用了两根导线和一个磁针就实现了信号的传递,可以远距离地传递电报。但也只能在实验中作表演用,仍无实用价值。

真正具有实用价值的是美国人莫尔斯1837年发明的电磁式电报机。莫尔斯青年时代到欧洲学绘画,1832年在返回美国的轮船上,偶然在聊天中听到同船旅客杰克逊谈起电磁铁的神奇功能,他非常感兴趣。当他得知电流可经导线以极快的速度传导,立即想到能否用电流传递信息。尽管自己的电学和机械方面的知识很贫乏,仍决心投身于试制工作。他虚心向化学家盖尔和电学家亨利请教,坚持不懈,亲自动手做各种试验。1837年终于做成了第一台实用的电磁式电报机。开始,他用三种符号代表数字或字母:产生电火花、不产生电火花和电火花间隔的长短这三种情况代表三种符号。这三种符号的适当组合就代表数字或字母。

后来他又发明了一套用点和线代表字母和数字的符号,这就是一直使用至今的莫尔斯电码。

1840年,莫尔斯的电报机取得专利。后来又几经周折,取得美国国会的资助,在华盛顿和巴尔摩之间架设了一条相距64千米的试验性电报线路。1844年5月24日终于成功地拍发了第一份长途电报。莫尔斯从外行变成了内行,成为一名电报专家了。

电话的发明要晚一些。但是它的萌芽却比电报还早。据文献记载,1684年,英国物理学家胡克曾在英国皇家学会作了一次关于通讯的演讲。他提出经远距离传输话音的建议。他说,他曾用一根拉紧的导线传送话音,相距200米可以听到耳语声。把距离加大10倍,可能还会听到。

1837年,美国医生佩济发现一种现象:当铁的磁性迅速改变时,会发出一种悦耳的声音。经过反复试验,发现声音的响度随磁性变化的频率变化。这一新现象引起了大家的注意,很多人重复他的实验。

1844年发明电报,许多人希望运用电报的原理来传递话音。有人建议,用一只活动磁盘,当人靠近磁盘说话,同时让磁盘连续地接通和切断电源时,就可以使一定距离之外的另一只磁盘产生完全相同的振动。大约在1860年,德国的赖斯第一次用电发送了一段音乐。他把自己的装置称为“telephone”(电话)。赖斯的发送器中装有用薄羊膜做成的膜片,安有铂接点,接点上安一只铂针起调节作用。接收器中有一只电磁铁,是用一根编织用的钢针绕上导线做成,装在一块发音板上,发送器和接收器都跟电源串联。当接通发送器的接点时,膜片振动,产生间隙电流。电流传到接收器,磁针长度发生变化,发音板振动发出声音。

1875年,有两个美国人同时在研究电话传输的方法。一个叫格雷,他的方法跟赖斯差不多,不同的是在薄膜上加一根小铁杆,铁杆的另一端浸入电解液中,充当电解液的电极。当声音激励膜片时,小铁杆振动,电极在电解液中的深度忽大忽小地变化,电流也跟着变化。电解液的办法固然巧妙,使用起来却很麻烦,因此需要改进。正当格雷提出改进计划时,另一位美国人捷足先登,做出了比较理想的送话器。他就是著名的发明家贝尔(A.G.Bell)。贝尔是声学专家,祖传三代都献身于聋哑人的教育事业。1874年,他想到用电磁感应的方法把声音变成电信号,可是接收到的电流可能太弱,没有成功的把握。

同类推荐
  • 我的搞笑老爸(老妈真烦)

    我的搞笑老爸(老妈真烦)

    我妈爱面子,爱管闲事。这本来不关我的事,可是,让我愤愤不平的是,当我和老爸讲点儿面子、管点儿闲事的时候,她总会看不惯。说句公道话,我爸除了爱吹牛外,还算是一个很不错的老爸。虽然身上的毛病不少,但他总能给我,还有我的那帮“狐朋狗友”带来快乐。在这点上,可比我妈好上N加N倍。
  • 小蜗牛的好朋友(读故事学科学丛书)

    小蜗牛的好朋友(读故事学科学丛书)

    池塘边大榕树下的小蜗牛有许多好朋友,像蚂蚁、蜜蜂、青蛙、燕子等。本书中通过描写小蜗牛及其好朋友们的故事,实际上描写了这些动物与气象变化的关系,是一本关于气象知识的科普书籍。
  • 青少年应该知道的宝石

    青少年应该知道的宝石

    本书向青少年以及宝石入门者介绍了宝石的概念、形成、分布、天然特性和人们对它的加工与制造,还简单地介绍了宝石的基本鉴定和保养知识。
  • 神秘的现象

    神秘的现象

    想要开始宇宙的星际之旅?想要深入神秘的未知地域探险?想去寻找遗失的宝藏?想去求证历史事件的真相?没错,哈尔滨出版社为你排忧解难,足不出户便可完成您的这些愿望。《神秘的现象》是一本科学普及类读物,以知识性和趣味性为出发点,为您搜罗并展示各个领域最有研究价值、最具探索意义和最为人们所关注的多个神秘现象并客观地将多种科学假说一并提出,满足您的好奇心和求知欲,给您超越想象的猎奇体验。谜底层层揭开,真相娓娓道来;零距离接触世界文化和历史,全方位透视人性和科学智慧。
  • 不可不读的最幽默的智谋故事

    不可不读的最幽默的智谋故事

    人类历史就像是一条漫长的河,它孕育了数千年的灿烂文明。我们怎样以有限的时间去学习这些人类智慧的成果呢?如果有一种简便的途径能让小朋友们轻松地学习“人类的故事”,那真是善莫大焉。希望本书能带领小朋友们在知识的海洋里快乐遨游,让它成为你的良师益友!
热门推荐
  • 结核病诊断与防治技术

    结核病诊断与防治技术

    全书分为5部分:第一部分为结核分枝杆菌研究进展;第二部分为牛结核病病原学与流行病学;第三部分为牛结核病诊断方法与检测技术;第四部分为牛结核病防控措施;第五部分为附录,收录了《牛结核病防治技术规范》《畜禽病害肉尸及其产品无害化处理规程》等法规。
  • 白虎战神

    白虎战神

    炎罗大陆,好武成风。强者为尊,弱者卑微。‘阿斗’是人类拥有不知名且驳杂的血脉的统称,他们万中无一,可虽握宝山,却难以挖掘。‘阿斗’元龙家中突发巨变,安宁生活被打破,遭到追缉。逃进落日山脉误入烟雾老人的地盘,后因祸得福,打开血脉枷锁,成为一名武者。血脉之力不断被激发,他对力量的渴望越来越强烈。从此,平和的性情转变为尚勇好斗、以牙还牙的狠角色。
  • Q&A马云与员工内部对话

    Q&A马云与员工内部对话

    首次曝光阿里内部思想碰撞的场景,首次展现了一个更轻松、睿智、激情的马云;一群青春逼人的员工,一些奔放的提问。这是一个企业家和年轻员工、创业者的对话,这是一些不停推动着我们思维的对话。这不仅仅是马云与员工的对话,这其实也是马云和你的对话,本书从第二人称“你”作为切入视角,以此希望作为读者的你,可以更贴切地去感受“Q&A”的氛围,让读者仿佛身临其境!
  • 英雄联盟:辅助之神

    英雄联盟:辅助之神

    从一个菜鸟到一个让对手每一局都必须扳三个辅助位的故事!
  • 窦文涛的说话之道

    窦文涛的说话之道

    本书以窦文涛的说话技巧为核心,同时结合具体个案,深入浅出地与读者共同探讨锻炼口才、提高表达能力的有效方法。
  • 无境仙道

    无境仙道

    继上古大战之后,这方天地之间,强者尽陨,后人无人能再触及那至强之境,但即便如此,仍有无数修仙者为之修行,再次创就了这番修仙盛世。在这盛世之中,一个懵懂少年却是身负灭族之血仇,为此踏入修仙之道,努力地向着强者之列进发,这又将是一个如何的传奇历程呢?云行四海境无边,世间岂未存不邪。身历天下千万险,唯吾一人羽化仙。
  • 老公请住手:娇妻,品不够!

    老公请住手:娇妻,品不够!

    他们,属于真正的青梅竹马,她,从小到大,一直都是如此的爱他。可是,他却负了她,他在她的面前,竟然亲吻别的女孩。她选择了离开。可是,当她再一次的回来时,已经是三年后了。她,真的好美好美,让每一个男人都不得不为了这种女人而争抢。三年后,她已经十九岁了,他,二十三岁了,两个人不知道会发生怎样的结局。她以为自己忘了他,可是回国后,却是另一番场景……
  • 萌爱:神秘总裁独家妻

    萌爱:神秘总裁独家妻

    玩了一回真心话大冒险,结果捡回家一个男人。于是——“姐姐,你为什么这么帅!”晚上,某男用行动告诉她,他到底是不是“姐姐”。“姐姐,今天有人跟我说,她是你老婆”晚上,某男用行动告诉她,谁是他老婆。某日,某女终于忍不住离家出走...某男嘴角勾起,丢下公司所有事物,去找老婆了……
  • 杰出经理人7大营销新手段

    杰出经理人7大营销新手段

    本书讲述了7大营销手段:市场决定成败、塑造顾客忠诚、战略吴极限、没有危机才是最大的危机、员工至上、创新就意味着拒绝平庸、细节决定成败。
  • 超级透视戒指

    超级透视戒指

    高中生林辰意外的一枚来自神秘世界的超级戒指,从此人生发生了翻天覆地的变化。会透视,会修真,会医术,如同开挂一般的人生,吊打各种不服,秒杀一切强者。壮志凌云几分愿,我欲踏天称其王。凡是和我作对的,统统碾压,踩在脚下,全部坠入地狱,嚣张无极限就是我的本性。ps:本文宗旨,爽爽爽爽,一路爽到底。不服的统统干死。草你吗拉个b的,不服?老子干的就是你。