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第13章 物理学的发展(2)

在化学方面,卡文迪许也取得了很大成就。他研究了氢气性质,在1766年发表的《人造气体》一文中指出,氢是作为一种独特物质存在的,实验证明氢能燃烧;他还研究了二氧化碳性质,指出由腐烂和发酵产生的气体,与大理石受酸作用而产生的气体相同;他研究了水的组成,证明水是氢气和氧气的化合物,这一发现在化学史上开辟了新纪元;他研究了空气的组成,实验证明空气中存在惰性气体。

卡文迪许还研究热现象,研究的结果后来成为发现比热定律的根据。

卡文迪许是18世纪英国一位受人尊敬的科学家,著名的剑桥大学的卡文迪许实验室,就是为纪念他而建立的。科学“怪”老头

有人说:“除了修道士们以外,卡文迪许可能比有史以来任何一个活到80岁的人讲话更少。”

有一次,卡文迪许的好友天文学家赫歇耳来拜访他,两人同桌进餐,餐厅里几乎只有赫歇耳一人在讲话。他兴致勃勃地向卡文迪许讲述了用自己改进的望远镜观察天体的情况,卡文迪许默默地听着。赫歇耳也许感到自己讲得太多了,于是停下来,好让主人说几句。卡文迪许也感到一言不发不太礼貌,想了一会儿,才憋出了一句话:“赫歇耳博士,你确实看到星星是圆的吗?”

赫歇耳听到了朋友的问话,感到十分高兴,便大声说:“圆得像一个纽扣。”

赫歇耳还想等他朋友的第二句话,没想到卡文迪许又不吭声了。于是两个人就在沉默中用完餐。送别的时候,卡文迪许才又说出第二句话:“圆得像个纽扣?”

给地球“称”体重

卡文迪许科学研究的兴趣非常广泛,既涉及化学领域,又有物理学方面的问题。他的视野非常开阔,大至地球,小至分子,所有的奥秘他都愿意探索。

说到地球,它大到谁也无法一眼看完,更不要说去“称”它的重量了,卡文迪许就偏要给地球“称”重量。

有一天晚上,他点起蜡烛,无意中看到自己的影子映在室内的墙上,由此他猛然想出利用扭秤、蜡烛等器具来验证万有引力定律。他取来一根细长的木杆,在木杆的两端各装上一个同样重的小球,做成一个哑铃状的东西,并悬挂在一根细丝上,然后把两个固定的大球分别放在这两个小球的旁边。根据万有引力,这两个大球与小球之间必然互相吸引,而大球是固定不动的,小球是悬挂易动的。因此,这必然会引起小球的转动,并使细丝发生偏转。实验时,果然发生了预期的效果,但是细丝的偏转是很小的,卡文迪许就在细丝上安上一面小镜子,在小镜子前面点上一支蜡烛,烛光通过小镜子反射到标尺上,细丝发生偏转时,反射在标尺上的光也发生相应的偏转。卡文迪许就是通过这样一个非常巧妙的实验,测出了引力数值是6.72×10-8(厘米3/克·秒2),与当今的精确数值6.672×10-8(厘米3/克·秒2)非常接近。卡文迪许在当时就能有如此丰富的想象力和绝妙的实验设计,不仅是他同时代的人无法相比,就是现在的人也要拍手叫绝。

有了引力常数,再根据当时已经推算出的地球半径6×108厘米,以及通过自由落体实验测定出的地球的重力加速度值,卡文迪许就很容易地计算出地球的质量约为6×1027克,这与当今的精确的地球质量5.976×1027克的误差极小。

卡文迪许“称”出地球质量,在天文学上有重大的贡献。从此以后,宇宙中其他星球的质量,都可以按这种方法计算出来。

焦耳发现能量守恒定律焦耳(1818~1889)焦耳,英国物理学家,出身于曼彻斯特一个酿酒厂主家庭。

他从小随父参加酿酒劳动,没有进过正规学校学习,1835年认识曼彻斯特大学教授道尔顿。在他的帮助下,焦耳通过艰苦自学,终于成为一位有成就的科学家。

焦耳一生大部分时间是在实验室里度过的,他做过的实验有400多个。1840年,22岁的焦耳经过多次通电导体产生热量的实验,发现电能可转化为热能,并得出一条定律:电导体所产生的热量与电流强度的平方、导体电阻和通电时间成正比,被称为焦耳—楞次定律。

在这一发现的基础上,焦耳继续探讨各种运动形式之间的能量守恒和转换关系。焦耳在论文中宣布,自然界的能是不能毁灭的,哪里消耗了机械能,总能得到相当的热,热只是能的一种形式。这一宣布打破了统治多年的所谓热质说的机械唯物论,从而引起轰动。此后,焦耳继续改进实验方法,不断提高实验精确度,终于得出了一个重要的物理常数,即热功当量。后人为了纪念他,把功和能量的单位称为“焦耳”,简称“焦”。走入科学误区的少年

19世纪初叶,“永动机热”席卷整个欧洲。

“爸爸,我想设计一种机器,它一旦运转起来,就不再消耗能量了。”有一天,焦耳天真地对父亲说。

“这可能吗,詹姆斯?”父亲惊疑地问。

“可能的,爸爸。”焦耳充满信心地回答说,“听说有人已经设计出来了,还拿出来公开展览呢!”

从此,为了发明永动机,焦耳几乎消磨了他全部的业余时间。他经常通宵达旦地冥思苦想,设计图纸,制作加工零件。经过几个月的顽强奋战,焦耳制造出了一部崭新的机器模型。

焦耳聚精会神地试了起来,然而这部机器模型中看不中用,人力使它动作起来以后,它只动了几下,就不动了。

接着,焦耳又搞出了几个改进过的设计,但都以失败而告终。这些看起来十分漂亮的机器,实际上是一堆废物。

失败乃是成功之母,迷途的终点常常就是坦途的起点。迷途知返的焦耳进入青年时代以后,经过几年的努力学习,勤奋实践,终于从反面的教训中,找到了热功当量值,并逐渐认识到,能量只能从一种形式转化为另一种形式,绝不能无中生有。

为了让后人少走弯路,焦耳成名后还现身说法,语重心长地告诫那些仍在迷恋永动机的人:“不要永动机,要科学!”

发现能量转变的秘密

焦耳对能量转变研究的方法与他人有所不同,他采取的是严格进行定量实验分析的方法。焦耳对由电流激起的热量进行试验,测定热量与电流强弱和时间的相关性。在研究电流的热效应过程中,焦耳测定了电热当量。

1842年,为了准确测定量值,焦耳设计了一个特殊的实验。他用一个保温性良好的容器装上水,再浸入一个叶轮,叶轮由绳筒带动,而绳筒本身又与下垂的重锤相连接;然后他用重锤下落所做的功和叶轮转动使液体温度升高的办法来求出热功当量。经测定,焦耳发现427千克米的功可以产生1千卡的热量。令人遗憾的是,焦耳的研究成果同迈尔的一样,起初并未引起人们应有的重视。

除迈尔与焦耳之外,还有俄国化学家赫斯、德国物理学家霍耳兹曼、丹麦工程师柯耳丁、德国重量学家和物理学家亥姆霍兹、法国物理学家伊伦,他们都在19世纪40年代~50年代初独立地发表过有关能量守恒的论文。

这么多不同学科的科学家们,在差不多同一时期内独立地发现了物质运动之间能量的守恒性。有鉴于此,物理学就把这些各自不同的发现综合归纳为能量守恒定律。

迈克耳孙测量光的速度迈克耳孙(1852~1931)迈克耳孙,美国物理学家,出生于德国斯特雷诺。

迈克耳孙从小在美国受教育,1872年毕业于美国海军学院。1925~1927年任美国国家科学院的院长。他还是美国物理学会、哲学学会的会员。迈克耳孙在光学方面的第一项成就是发明一种用以测定微小长度、折射率和光波波长的干涉仪,称为迈克耳孙干涉仪。1885年,他与美国化学家、物理学家莫雷进行了著名的迈克耳孙—莫雷实验,它否定了以太的存在,从而促进了相对论的建立。

迈克耳孙用了将近10年的工夫以改进用于干涉测量和光度测量的衍射光栅。1920年,他设计出一种恒星干涉仪,用它可测量恒星的直径。

迈克耳孙最重要的贡献是1926年在相距约22英里的两山之间,利用多面镜法较精密地测定了光的速度。

迈克耳孙因发明精密的光学仪器及其在光学测量中所取得的成就,于1907年获诺贝尔物理学奖,他是获得诺贝尔奖的第一个美国人。

伦琴发现X射线伦琴(1845~1923)伦琴,德国物理学家,出生于德国尼普镇。

伦琴在50年的研究工作中一共发表了50多篇论文。他在科学上的最大贡献是发现X射线,后人称为“伦琴射线”。后来他通过X射线晶体衍射实验,证实X射线是一种波长很短的电磁辐射。X射线的发现给现代物理学提供了一种新的研究手段,在光电效应研究、晶体结构分析、金相组织检验、材料无损探伤、人体疾病的透视与治疗等方面有着广泛用途。

伦琴在研究电磁现象中还发现,在充电的固定平行板电容器中,使介质旋转,能产生磁场。在弹性、液体的毛细作用、气体比热、热在晶体中传导、压电现象以及偏振光的磁致偏转等方面也都有研究。

伦琴因发现X射线而誉满全球,1901年获第一届诺贝尔物理学奖。轰动世界的照片

1896年1月2日深夜,维也纳的《新自由报》即将付印时,收到了一份急件,编辑打开一看,里面竟是一张奇特的照片——一只手的骸骨,在手骨的无名指上还戴着一枚戒指。

第二天,全城轰动了!不久,各地报纸竞相转载,全世界都轰动了!

报纸上所登的照片,是伦琴夫人的照片,一只活人的、有血有肉的手,怎么在照片中只剩下了令人生畏的骨架呢?真是不可思议!奥秘在哪里呢?原来这是伦琴发现了一种奇妙的射线!

1895年11月8日傍晚,伦琴在研究阴极射线时,把一张黑色的硬纸板卷在克鲁克斯管(一种抽去了一些空气的玻璃管)的外面。在下班的路上,他忽然想起自己忘了切断电路,以使那个跟克鲁克斯管连接的感应圈停止工作。于是他返回实验室,他没有开灯,就摸到桌边去关掉电路。突然,他发现在黑暗的实验室里有东西闪烁着不太明亮的冷光。这个奇异的现象,立刻引起了伦琴的注意,他仔细一看,那放冷光的物体原来是一张涂了氰亚铂酸钡的纸。氰亚铂酸钡是一种能放磷光的物质,只要旁边有强光向它照射,它就会放冷光,但是眼前的实验室是漆黑的,克鲁克斯管虽然还在放冷光,但光线是微弱的,它不可能使氰亚铂酸钡射出磷光,那么究竟是什么使这张磷光屏在黑暗中发光呢?

经过反复的实验,伦琴证实这是一种新的射线。这种光线人是看不见的,但它能自由地穿过多种物体,就像普通光线穿过玻璃一样,透过书本、衣服、木头、人体等。

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