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目 录
1．1 从闪电谈起 7
1．2 电学中的第一个定律—— —库仑定律 14
1．3 物质的又一种形态 18
1．4 静电与生活 22
2．１ 揭示电磁联系的第一个实验 26 2．2 安培力与磁感应强度 32 2．3 改写通信史的发明—— —电报和电话 37
2．4 电子束偏转的奥秘 45
第 2 章 打开电磁联系的大门 26
第 1 章 从富兰克林到库仑 6
第 3 章 划时代的发现 50
3．1 法拉第的探索 50
3．2 一条来之不易的规律—— —电磁感应定律 57
3．3 发电机与电动机 61
3．4 电能与社会 66
3．5 伟大的丰碑—— —麦克斯韦的电磁场理论 71
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4
第 章 电磁波与现代通信 76
4．１ 电磁波的发现 77
4．2 无线电波与现代通信 82
4．3 信息的获取—— —传感器 93
第 5 章 走进现代化家庭 100
5．１ 客厅里的精彩 100
5．2 厨房里的革命 106
5．3 现代化家庭 110
研究课题示例 118
评价表 119
总结与评价 科学讨论会 118
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第 １ 章
从富兰克林到库仑
人们对电的认识始于闪电。 世界各地的民族，对闪电都曾怀 有一种恐惧、敬畏的心理。 在许多神话传说中，闪电被拟人化地比 喻为天神在发怒，在咆哮。
不过，也有过许多可贵的思想家，反对神秘主义，在科学的荒 原上积极寻找闪电的本质。
我 国 西 汉 时 典 籍 《淮 南 子 》中 记 载 ：“阴 阳 相 薄 为 雷 ，激 扬 为 电。”意思是说 ，电是一种 激荡之气，闪电是 阴阳 两种气相互作 用 的结果。 这种说法最可贵之处是，它指出了闪电是一种自然现象。
那么，云层中为什么会有电？ 电的相互作用是怎样发生的？ 电 的相互作用有什么规律？ 闪电属于静电范畴，静电又有什么应用 价值？
本章以闪电为背景，追本溯源，从研究摩擦起电开始，介绍富 兰克林（B. Franklin）的风筝实验如何统一了人们对天电与地电的 认识；接着，通过电 荷相互作用的 研 究和 库仑 定 律建立过程的 介 绍，得到电学中第一个定律；通过引入电场的概念，使你领略到场 是物质的一种形态；最后，通过对闪电的功过评说，介绍静电的应 用与防止。
像一把利剑 划破长空
催动着滚滚雷声
……
闪电中蕴含着巨大的奥 秘，正召唤着人们去探索。
图1-1 闪电
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1．1
从闪电谈起
现代科学告诉我们，闪电是一种普通的自然现象。 大气中冷、
暖气流上下急剧翻滚、互相摩擦，云层就会积聚电荷。 当电荷积累 到一定程度，瞬间发生大规模的放电，就产生了闪电（图1-2）。
不过 ，在 科 学 史 上 ，从 最 早 发 现 电 现 象 ，到 认 识 闪 电 的 本 质 ， 经历了漫长的岁月，一些人还为此付出过惨痛的代价。
现在，我们可以用起电机在实验室里模拟闪电。
如图 1-3 所 示 ，摇 动 起 电 机 手 柄 ，两 个 放 电 球 上 的 电 荷 就 会 逐渐增多。 当电荷积聚到一定程度时，两个小球间就会发生火花 放电，同时发出噼噼啪啪的声响，犹如电闪雷鸣。
静电现象的发现
人们对静电吸引的发现，在东西方都可以追溯到很久以前。
我国东汉王充在《论衡》中记载有“顿牟掇芥”的话。 顿牟即玳 瑁，是一种跟海龟相似 的 动 物 ，其 甲 壳 十 分 光 滑 ，可 作 首 饰 ；芥 是 干燥的草屑。 这句话表明，我国古人已发现摩擦后的玳瑁可以吸 引轻小的物体。
据史 书 记 载 ，三 国 时 ，吴 国 的 虞 翻 就 知 道 ：“虎 魄 不 取 腐 芥 ”。
虎魄即琥珀；腐芥即腐烂的芥籽，其中含有水分，不能被摩擦后的 琥珀吸引。
西方大约在2000 年前，古希腊的泰勒斯（Thales）用琥珀和布 料相互摩擦后，发现琥珀就会吸引轻小物体。
在很长一段时间里，东西方古人对电的认识基本上停留在记 载和描述的水平上。 直到16 世纪，才由英国的御医吉尔伯特（W.
Gilbert）作 了 进 一 步 的 研 究 ，并 把 它 与 磁 的 吸 引 相 区 别 ，称 为 电 。
“ 电 ” 的 英 语 “electricity” 一 词 就 是 源 于 希 腊 语 中 的 “ 琥 珀 ”
（浊λεκτ籽ο淄）。
图1-2 云层积聚电荷
图1-3 起电机
图1-4 泰勒斯的发现
“看，琥珀都有灵魂哩！ ” 泰勒斯半开玩笑地说。
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科技活动
■ 观察摩擦起电现象
取两块干燥 、洁净的 有机玻璃和聚 丙 烯塑 料板，互 相 摩 擦 后 迅速分 开 ，再 将 任 一 块板放 入 验 电 器 上 方 金属 筒 内 ，观 察 箔 片 是 否会张开（图1-5a）。 如果将两块板一起放入筒内（图 1-5b），观察 箔片是否会张开。
重复操作几次，你认为摩擦后两个物体得到的电荷量和电性 有怎样的关系？
■ 观察静电感应现象
1. 取两个相同的验电器，用一根长的导体杆把它们连接在一 起 ， 再 用 丝 绸 摩 擦 过 的 有 机 玻 璃 棒 靠 近 一 个 验 电 器 的 上 端 。 你观察到了什么现象（图1-6）？
2. 先移走连接杆，再移开有机玻璃棒。 你认为两验电器的金 箔是否仍会张开？
想一想，两个验电器带的电性有什么区别？ 你能用实验加以 验证吗？
3. 利用两个验电器进行实验，你能得出静电感应现象中绝缘 导体两端的电荷和电性间的关系吗？
电 不 能 因 摩 擦 而 创 生 ， 而只是从摩擦物转移到玻璃 管， 摩擦物失去的电与玻璃 管获得的电严格相同。
——
—富兰克林
图1-5 观察摩擦起电现象
用 带 电 体 靠 近 绝 缘 导 体，使绝缘导体带电的现象，
叫做静电感应。
a b
图1-6 观察静电感应现象
图1-7 原子结构模型
电学的“法典”—— —电荷守恒规律
用摩擦的方法为什么能使物体带电呢？ 我们知道，构成物体 的原子是由带负电的电子和带正电的原子核组成的（图 1-7）。 两 个物体 相互摩擦时， 一 个物 体中的电 子会 转移到另一 个 物体 上 去。 失去电子的物体呈现正电，得到电子的物体呈现负电。 所以，
带电是由于电子的转移产生的。 云层的带电也是这个道理。
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吉 尔 伯 特 （W. Gilbert, 1544—1603）， 英 国 物 理 学 家、医生，近代电学和磁 学 的 先驱者。 著有《论磁》一书，该 书是物理学史上第一部系统 阐述磁学的科学专著。
大量事实表明，电荷既不能创生，也不能消失，它只能从一个 物 体 转 移 到 另 一 个 物 体 上 去 ， 或 从物 体 的 一部 分 转 移 到 另 一 部 分， 电荷的总量保持不变。 这个规律称为电荷守恒定律 （law of conservation of electric charge）。
电荷守恒定律是电的法典，是自然界的一条基本定律。 任何 带电现象都遵守电荷守恒定律。
请你 运 用 物 质 的 微 观 模 型 和 电 荷 的 相 互 作 用 、 电 荷 守 恒 定 律，解释感应起电现象及绝缘导体两端产生等量异号感应电荷的 原因。
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吉尔伯特的贡献
吉尔伯特是英国的一位著名医生，他在 进 行 磁 的 实 验 研 究 时 ，也 研 究 了静电现象。 他发现不仅被摩擦的琥珀具有吸引轻小物体的性质，一些其 他物体如金刚石、蓝宝石、水晶、硫磺、明矾、树脂等也有这种性质 ，他 把 这 种性质称为电性。 吉尔伯特是第一个把电的术语引进科学中，并最先运用
“电力”、“电吸引”等术语的人。 他还把琥珀这类能吸引轻小物体的物体叫 做带电体；把金属、人体、动物等不能用摩擦使他们具有吸引能力的物体叫 做不带电体。
为了检验物体是否带电，吉尔伯特还制作了第一个实验用的验电器。
吉尔伯特认为，电现象是物质所具有的一种比较普遍的现象。 他还把 电现象和磁现象作了详细的比较。
吉尔伯特用天然磁石磨制成一个大的磁石球，用细铁丝制成小磁针放 在磁石球上面。 结果他发现，这枚小磁针的行为跟指南针放在地球上的行 为一样。 他用粉笔把小磁针指示的方向画在磁石球上，得到了一个大圆，即 磁子午线。 通过画出许许多多个大圆，他发现，所有这些大圆都近似地通过 磁石球相对的两个端点，这跟地球上的经线很相像。 与两端等距离处、垂直 于那些磁子午线也可以画出一个大圆，即磁赤道。 吉尔伯特发现，小磁针在 磁赤道上时，磁针与磁石球表面的磁子午线平行；当 磁 针 沿 磁 子 午 线 移 动 时，磁针略有下倾；当移动到两个端点时，磁针便垂直于磁石球表面了。 吉 尔伯特由此推测，地球是一个巨大的磁石球，它的磁极与地极大致重合（后 来证明地磁极与地极比较接近，但不重合）。
吉尔伯特的小地球实验，虽然有 些 结 论 并 不 正 确 ，但 他 通 过 实 验 推 测 地球是一个大磁体，这是十分可贵的。
科技发明
在人类文明的进程中，为什么对电的研究进展很慢呢？
用摩擦的方法得到的 电 荷，停留在物体的某一部分，
称为静电。
图1-8 吉尔伯特的磁石球
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图1-9 莱顿瓶的结构 瓶塞
外层箔片 内层箔片 铜棒
一个重要的原因是当时人们无法获得大量的电荷, 也不知如 何贮存电荷。
大约 在 1650 年 ，德 国 的 盖 里 克 （O. Guericke）根 据 摩 擦 起 电 的原理，发明了第一台能产生大量电荷的摩擦起电机。
大约又过了100 年，在 1745 年至 1746 年之间，物理学家克莱 斯特（E. G. Kleist）和荷兰莱顿大学的物理学家穆欣布罗克（P. V.
Musschenbrock），几乎同时发明了一种贮存电的装置。 后来法国电 学家诺莱特（J. A. Nollet）把这种能贮电的瓶子叫做莱顿瓶。
莱顿瓶的结构如图1-9 所示。 在玻璃瓶的内外表层贴上金属 箔（锡箔或铝箔），瓶盖上插一根金属杆，上端有一个金属小球，下 端有金属小链与瓶底金属箔相连。 莱顿瓶贮电后，可用来做放电 实验。 莱顿瓶是现代电容器的原始形式。
摩擦起电机和莱顿瓶的发明，解决了如何获得大量电荷和有 效地贮存电荷的难题，为进一步研究电现象提供了强有力的实验 手段。
科技活动
■ 观察导体带电的特点
把一个金属丝制的鸟笼放在桌子上，如图1-11 所示，把起电 机放电 杆 一 端 的 小 球 靠 近 鸟 笼 ，摇 动 起 电 机 ，球 与鸟 笼 间 产 生 了 火花，笼内的小鸟会受到放电的伤害吗？
■ 观察尖端放电现象
电荷在导体表面的分布一般是不均匀的， 越是尖突的部分，
电荷密度越大，也越容易放电，这称为尖端放电。
图1-10 各种电容器
图1-11 带电笼中的小鸟
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警示！ 绝不能模仿富兰 克林的风筝实验， 也不能在 雷雨时放飞风筝，否则，很可 能遭到雷击。
把起 电 机的 一 个 放电杆跟图 1-12 风轮下 的 金 属 杆 相 连 ，摇 动起电机，电风车带电后，由于尖端放电，会转动起来。
富兰克林统一天电与地电
人们 做 了 许 多 静 电 实 验 后 ，很 自 然 地 会 想 到 一个 问 题 ：实 验 室里用摩擦等方法得到的电，跟天空中的闪电是不是一回事呢？
显然，最直接的办法就是把闪电“捕捉”下来跟实验室得到的 电进行比较。
1752 年，美国科学家富兰克林以执著的探究 精 神 ，在 费 城 做 了一次著名的风筝实验。
富兰克林用很轻的杉木和丝绸做了一个大风筝，在风筝顶上 装了一根尖细的铁丝。 他将风筝引线的一端与铁丝相连，而在另 一端拴一枚铜钥匙，并把这枚钥匙塞在一个莱顿瓶中。 1752 年夏 天的一个暴风骤雨的日子，富兰克林和他的儿子一起将这个风筝 放飞到空中（图1-13）。莱顿瓶充电了！他们终于捕捉到了天电。富 兰克林用收集在莱顿瓶中的天电进行放电实验。 他在给皇家学会 的信里写道：“由此得来的电火可以使酒精燃烧，并可以进行有关 电的实验，而这些实验平常是靠摩擦小球或小管来做的。 这就完 全证明摩擦起电所获电的性质和天空中的闪电是同样的。 ”
富兰克林的风筝实验，揭开了千百年来遮盖着雷电的神秘面 纱，统 一 了 天 电 与 地 电 。 从 此 ，闪 电 就 被 纳 入了 普 通 的 电 现 象 之 中。
富兰克林的风筝实验受到人们高度的评价。 德国哲学家康德
（I. Kant）称富兰克林为“新普罗米修斯”。 英国物理学家普利斯特 列（J. Priestley）在 1767 年对风筝实验作了评价。 他认为，这个实 验把雷电和普通的电统一起来，是自牛顿发现万有引力以来最伟 大的发现。 因为它为人们感觉最神秘、最可怕的自然现象提供了 理性的解释 ，证 明 了 电 效 应 并不 仅 仅 是 一种 人 为 现 象 ，而 且 是 自 然界行之有常的运动的一部分。
富兰 克 林 也 因 这 项 成 就 荣 获 了 英 国 皇 家 学 会 颁 发 的 开 普 勒 金质奖章，他的名字响彻了全世界。
富兰克林的实验有很大的危险性。 1753 年夏天，俄国科学院 院士里赫曼（Г. В. Рихман）在研究雷电时，不幸被雷电击中，为科 学献出了宝贵的生命。
展开你想像的翅膀，与同学们交流讨论一下：
图1-12 电风车
富 兰 克 林 （B. Franklin， 1706—1790），18 世 纪 美 国 伟 大 的 科 学 家 、著 名 的 政 治 家 和 文 学 家 ， 他 有 一 句 名 言 ：“诚 实 和 勤 勉 ，应 该 成 为 你永久的伴侣”。
19世纪德国著名科学 家 洪 堡 （A. Humboldt） 说 ： “ 从 这个时代起， 电学的发展从 幽深的书斋走进了自由的大 自然。 ”
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图1-13 富兰克林风筝实验
龙吻脊
竖带 吻座 铁叉
富兰克林的风 筝实验 ， 对当 时 人 们 的 思 想 会 产 生 多 大 的 震 撼？ 它的价值体现在哪里？
科技巨匠
富兰克林1706年1月17日出生在北美波士顿的一个工人家庭，只读 了两年书，10岁就在家中帮父亲做蜡烛。 12岁起，在哥哥经营的小印刷所 当学徒。 他勤奋好学，利用工作之便，阅读了从自然科学技术的通俗读物到 科学家的论文、作家的作品等许多读物。1726年秋，富兰克林运用所掌握的 精湛的印刷技术，办起了自己的印刷所。 在40岁以前，他为生活所迫，主要 精力放在印刷所和社会活动上，同时学习了法文、意大利 文 、西 班 牙 文 、拉 丁文和当时先进的科学文化成果。
1746年，富兰克林40岁时，在英国学者斯宾塞的影响下，对电学产生 了很大的兴趣。 他用英国物理学家考林森（P. Coullinson）送给他的莱顿瓶 做了一系列的实验，发现了两种电荷和电荷守恒 定 律 ，做 了 震 撼 世 界 的 风 筝实验。 他最先提出了避雷针的设想。1760年，在费城的一座大楼上竖起了 第一根避雷针。
富兰克林还在地学、气象学、植物学、数学、化学等方面有许多贡献。 例 如，他利用乙醚的蒸发得到 -25℃ 的低温，创立了蒸发致冷的理论。
富兰克林晚年主要从事政治和社会活动，他曾多次作为北美殖民地代 表到英国谈判，参加了《独立宣言》的起草工作。
1790年4月14日，富兰克林病逝于费城。 他被美国人民称为“伟大的 公民”。 遵照他的遗嘱，墓碑上只刻着“印刷工富兰克林”几个字。
科学与社会
■ 避雷针轶事
富兰克林弄清了雷电的本质后，就提出了用避雷针保护建筑 物的建议。 世界上的第一根避雷针，就是在富兰克林的建议下安 装完成的。
说到避雷针的使用，或许是我国更早些。 据我国民间传说，多 遭雷击的地方造个宝塔就可以保护一方。 其实庇护当地不受雷击 的不是供奉在塔中的神灵， 而是宝塔尖顶的 “塔刹”———一个用 铜、铁金属制成的葫芦，四周用铁链连着通到塔底，或把它与涂了 金属粉末的塔心柱连 接 起 来 ， 柱 的 下 端 又 设 置 了 贮 藏 金 属 的 龙 窟，组成了一套十分巧妙的避雷装置。 如江苏高淳县的保圣寺塔，
图1-14 避雷针
图1-15 我国许多古建筑屋顶上的龙须也是一种很好的避雷装置
印刷工人———富兰克林
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图1-16 山溪
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Sensing Electricity
Sharks have a special sense that allows them to detect weak electrical signals. These are given off naturally by the muscles of their prey and travel well in water. A shark uses tiny sensory pits in the skin of the snout, called ampullae of Lorenzini, to detect the electricity. Other waterliving animals can also detect electricity, including elephant鄄snout fish and squid. Electric eels, electric rays, and electric catfish can also
make powerful bursts of electricity to stun their prey. 图1-17
在沙特阿拉伯腹地的哈迪岩村， 居住着牧羊人 拉西德·马特利一家。1986年开斋节的一天中午，他 家的一间毛毡房突然失火， 火被妻子和女儿及时扑 灭。 第二天，一间内室又突然起火。 地方政府派人调 查，未找到起火原因，只是建议他搬家。 于是他迁到 离哈迪岩村30 km的哈斯渥， 在这里支起了两座帐 篷。不料有一天，妻子、女儿居住的帐篷又起火了，而 且他放在汽车里的一件羊皮衣服也无缘无故地自燃 起来。马特利家中的怪事引起了科学界的重视，人们 把这种无名火叫做马特利现象。
目前科学界对此问题的猜想很多， 其中得到较 多人认同的是：干燥的冬天，差不多每个人的身体与 地之间的电压都要上升到几千伏，在10万人中就会 有1个人的皮肤特别干燥，因此，他身体与地之间的 电压就特别高，甚至可以达到几万伏。具有这种特征 的人是十分危险的， 如果放电火花遇到空气中的易 燃气体，就会引发火灾。
马特利现象的原因是否与人体静电有关？ 你的 猜想是什么呢？
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建于三国时期（公元229年），高31.5m，远高于周 围的建筑群，塔顶装有高4m的铁制塔刹，经历千 年风雨未遭雷击。
■ 负离子使人愉快
科学研究表明：带有正电荷的空气会使人们 感 到 不 舒 服 ， 带 有 负 电 荷 的 空 气 能 使 人 感 到 愉 快。 人们漫步在山溪、瀑布、喷泉、海滨附近和雨 后 的 树 林 中 ，感 到 神 清 气 爽 ，就 是 因 为 空 气 中 含 有大量带负电的离子的缘故。
技 术 上 ，利 用 负 离 子 发 生 器 ，同 样 可 以 营 造 出一个有益于健康的环境。
奇怪的马特利现象
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1．2
警示！ 这个实验应在教 师的指导下进行。
电学中的第一个定律—— —库仑定律
云层相互摩擦后会带上不同的电荷。 实验表明，自然界中只 存在两种电荷。 一种叫做正电荷，如用丝绸摩擦过的玻璃棒所带 的电荷；另一种叫做负电荷，如用毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷。
问题：电荷间发生的相互作用有什么规律呢？
电荷间的相互作用
科技活动■ “怒发冲冠”，有惊无险
将起电机的一个放电球跟验电羽连接， 摇动起电机手柄，验 电羽上的纸条就会向空中伸展（图1-18）。
如果你能勇敢地代替验电羽，站在厚的橡胶垫上用一只手摸 着工作中的范德格拉夫起电机的放电球，你飘逸的长发就会向四 周散开去———虽然起电机能产生上万伏的高电压，但确保你有惊 无险（图1-19）。
请你根据初中 物理学过的 “同种电 荷相互排斥 、异 种 电 荷 相 互吸引”的道理加以解释。
问题：电荷间的相互作用的大小跟哪些因素有关呢？
■ 寻找影响电荷相互作用的因素
用摩擦的方法使绝缘导体 小球 A 和悬挂在 丝线上 的泡沫塑 料小球B 带上同种电荷。 两者因相斥使悬线偏离一定角度（图 1- 20）。
增加它们的电荷时，偏角将怎样变化？
如果保持球 A和塑料小球 B所带电荷不变， 改变小球 B跟 小球A的距离，悬线的偏角怎样变化？
通过这个活动，你能否对电荷间相互作用得出一个初步的结论？
图1-18 验电羽
图1-19 “怒发冲冠”
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在库仑时代， 电荷的单 位还没有确定。 库仑依据直 觉， 巧妙地用完全相同的球 接触来平分电量， 这是他能 完成实验的一个关键。
图1-20 研究电荷的相互作用
类比思考指方向
电荷 间 相互 作 用 力的大小跟 电荷量 的 多 少 以 及 相 互 间 的 距 离到底存在怎样的关系呢？
这不禁让人联想到质点间的万有引力。 Ａ
Ｂ θ
类比是一种重要的研究 方法，德国哲学家康德说过：
“每 当 理 智 缺 乏 可 靠 的 论 证 思路时， 类比这个方法往往 指导我们前进。”
两个质点相互吸引 吸引力的大小跟两个质 点的质量和间距有关：
F∝m1m2
r2
两个异种电荷相互吸引 吸引 力 的 大 小 跟 两 个 电 荷 量的多少及间距有关：
？
从这个类比中，你得到什么启发呢？ 电荷间的相互作用力是 否也跟距离平方成反比？
法国物理学家库仑沿着这条思路，开始了他对电荷间相互作 用的实验探究。
诞生了第一条定律
1784年， 库 仑 根 据 他 长 期 对 金 属 线 扭 力 进 行 实 验 研 究 的 经 验，精心制作了一架非常灵敏的扭力秤，简称扭秤。 在前人的基础 上， 库仑通过多次实验， 于1785 年证实了电荷间的相互作用规 律：
真空中两个点电荷之间相互作用的电力，跟它们的电荷量的 乘积成 正 比，跟 它 们 距离的二次方 成反比，作用力的方向 在它们 的连线上。
这个规律后来就叫做库仑定律（coulomb蒺s law）。 电荷间的相 互作用力，叫做静电力（electric force）或库仑力。
点电荷是一种理想化的模型。 带电体的尺寸与它们相互间的 距离相 比 甚 小 时，可 以不 考虑带电体的 形状和大小，把带电 体 看 作是点电荷。 均匀带电球体产生的库仑力，与把电荷集中在球心 产生的库仑力一样，因此也可看作点电荷。
如果用Q1、Q2分别表示两个点电荷的电荷量，r 表示它们之间 的距离，F 表示相互作用力，库仑定律可表示为
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■ 库仑扭秤
库仑扭秤的原理和结构如图1-21所示。 AB是 两端带有同样质量小金属球的绝缘棒，在中点O系
有一根弹性扭丝 （细的金属丝、 石英玻璃丝等），使 AB呈水平状态悬挂。 另一个小金属球C装在绝缘 支 架 上 ，当 弹 性 扭 丝 处 于 自 然 状 态 时 ，使A 与C接
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F = kQ1Q2 r2
式中k 是一个常量，叫做静电力常量。 在国际单位制中，规定 电 荷 量 的 单 位 为 库 仑 （C），距 离 的 单 位 用 米 （m）， 力 的 单 位 用 牛
（N），经精确测定
k = 9.0 × 109N·m2/C2
它表示两个电荷量都是 1C 的点电荷，相距 1m 时的静电力大 小是9.0 × 109N。
库仑定律是电学中第一个实验定律，它不仅适用于两个静止 的点电荷，也适用于原子核跟核外电子间的相互作用。
通常 情况下 ，微观带 电粒 子之 间发 生相互作用时，库 仑 力 远 大于万有引力。 例如，当氢原子的核外电子在离核最近的轨道上 运动时 ， 氢原子 核与电子间的 库仑力比它们 之间的万有引 力大 1039数量级，因此可以忽略万有引力。
扭秤发明者———库仑
库仑于1736年6月14日出生在法国昂古莱姆城。 青少年时期，他受 过良好的学校教育。 中学毕业后，进入海济耶尔军事工程学校学习。 毕业 后，负责军事工程工作，同时进行科学研究。 他对有关材料的强度和金属丝 的扭转进行了深入的研究，于1777年发明了扭秤。 他还研究了摩擦，得到 了后来以他名字命名的摩擦定律。 由于这些成就，他于1781年当选为法国 科学院院士。
从1785年起，库仑的兴趣转移到对电学的研究。 他利用自己的扭力理 论，设计制作了一台精度很高的扭秤。 库仑利用他的扭秤对静电力进行了 测量，促进了库仑定律的建立。
他还独立发现电荷仅分布在导体表面的现 象 ，并 指 出 ，这 是 静 电 力 与 距离平方成反比的必然结果。
1806年8月23日，库仑在巴黎逝世。
对 于 实 际 的 带 电 体 ， 可 以把它们看成是许多点电荷 的集合。 根据库仑定律和力 的合成法则， 同样可以算出 它们之间的相互作用力。
库 仑 （C. Coulomb， 1736— 1806），法 国 军 事 工 程 师 、物 理学家、科学院院士。
科技巨匠
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图1-21 库仑扭秤 Ｃ
Ａ Ｂ Ｏ
Ｅ Ｇ
a 库仑扭秤结构图
扭丝
小球B
A C
带电小球 O
b 库仑扭秤原理图
■ 富兰克林的困惑 卡文迪许的孤僻
1755年 ，在 富 兰 克 林 的 静 电 研 究 中 ，实 验 现 象 已 启 示 了 电 荷 间 相 互 作 用 所 遵 从 的 关 系 。 遗 憾 的 是 ，这 个 启 示 是 用 数 学 语 言 写 成 的 ，富 兰 克 林 没 有 读懂。 客观地说，富兰克林没有受到很好的科学教 育。 他幼年生活贫苦，完全是靠自学获得了广泛的 知识。 富兰克林自己意识到这个缺陷，直到晚年还 抱怨自己没有精通数学。
其实，英国科学家卡文迪许（H. Cavendish）早在 1772 年，通过对实验现 象 的 分 析 ，已 证 明 了 静 电 力 与距离的平方成反比的关系。 可是，被称为“科学怪 人 ”的 卡 文 迪 许 ，洁 身 自 好 ，对 金 钱 不 感 兴 趣 ，也 不 公开自己的研究成果，他的许多成果都是100年后 由 麦 克 斯 韦 （J. C. Maxwell）发 现 和 整 理 出 来 ，才 为 世人所知。
1. 真 空 中 有 两 个 点 电 荷 ，相 隔 距 离 为r 时 的 相 互作用力为F，则
（1） 保持两者间距不变，使一个点电荷的电 荷量变为原来的4倍， 则其相互作用力
为 。
（2） 保持两个点电荷的电荷量不变，当相互 作用力为4F时，其间距应为 。
（3） 保持一个点电荷的电荷量不变，另一个 点 电 荷 的 电 荷 量 变 为 原 来 的 2 倍 ， 间 距变为原来的2倍，则其相互作用力为
。
（4） 使 一 个 点 电 荷 的 电 荷 量 变 为 原 来 的4 倍 ，两 者 间 距 变 为 原 来 的 1
4 ，当 发 现 相
互作用力变为16F 时，则 另 一 点 电 荷 的 电荷量为原来的 。
2. 一根玻璃棒和一根硬橡胶棒分别跟丝绸和毛 皮 摩 擦 后 ， 用 电 荷 量 表 测 得 电 荷 量 分 别 为 q1= 2×10-9C，q2= -3×10-9C，把两棒放在绝缘 台上相距r = 10cm， 它们间的静电力能用公 式F = kq1q2
r2 计算吗？ 为什么？ 假设使两棒处
于相隔r = 1km的两处， 它们的静电力能用
上述公式计算吗？ 为什么？
3. 结合本节内容（包括“信息浏览”）和你收集的 其 他 资 料 写 一 篇 库 仑 发 现 电 荷 间 相 互 作 用 规律的述评。
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触。 接着给C带上电荷，因A、C之间的 斥力，AB转动。 当A、C间的 斥 力 所 产 生 的 转 动 力 矩 与 扭 丝 阻 碍 AB转 动 的 力 矩 达 到 平 衡 时 ，AB就 静 止 在 某 一 角 度。 根据这一角度，便可测出带电球间 的斥力。
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b 驾 驶 员 操 纵 阀 门 ， 通 过 压 缩 空气，开闭车门
图1-22
物质的又一种形态
发生 闪 电 时 ，两 块 云 层 相 隔 着 一 段 距 离 ，为 什 么 也 能 发 生 相 互作用？
为了解开这个谜，让我们先来考察一下物体之间相互作用的 情况。
从生 活 经 验 可 以 知 道 ，物 体 之 间 发 生 作 用 有 两 种 情 况 ：一 是 物体 之 间 通 过 直 接 接 触 发 生 作 用 ；二 是 通 过它 们 之 间 的 水 、空 气 等介质传递（图1-22）。
那么，电荷之间通过什么来传递相互作用呢？
什么是电场
在初中物理中我们已经知道， 磁体周围有一种物质叫磁场，
磁体间是通过磁场发生相互作用的。
那么，电荷周围是不是也有类似的情况呢？ 科学研究对这一 类似猜想提供了有力的支持： 电荷周围确实也存在着一种物质，
叫做电场（electric field）。 电荷之间是通过电场发生相互作用的。
所以，电场和磁场一样，都是物质的一种形态。 两块云层相隔 一段 距 离 ，正 是 依 靠 电 场 使 它 们 彼 此 间 发 生 相 互 作 用 ，产 生 闪 电 现象。
电场的基本性质是对场中的电荷有力的作用。 电场对电荷的 作用力叫做电场力(electric field force)。
上面 实 验 中 带 电 体 之 间 的 相 互 排 斥 、吸引 等 现 象 ，都 是 通 过 带电体周围的电场发生的。
在物理学中出现了一个 新的概念， 这是自牛顿时代 以来最重要的发明：场。 用来 描述带电体之间与粒子之间 的空间的场， 这需要很大的 科学想像力才能理解。
——
—爱因斯坦 a 人用 手 直 接 对 车 施 力 ， 推车前进
1．3
甲磁体 磁场 乙磁体
甲电荷 电场 乙电荷
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“力线” （磁感线和电场 线） 的概念是法拉第在电磁 感应现象研究的基础上首先 提出来的。
电场的形象化描述
在研 究 磁 场 的 时 候 ，根据放 在磁体周围铁 屑的分 布 ，可 以 画 出一条条曲线（磁感线）形象地描述磁场（图 1-23）。
前面类 比的成 功足以鼓舞 我们对电 场的研 究 也 可 以 采 用 类 似的方法。
我们也可以在电场中画出一条条曲线，这样的曲线叫做电场 线（electric field lines）。 同样作出规定，电场线从正电荷出发，终 止于负电荷；电场线上某点的切线方向表示正电荷在该点的受力 方向；电场线的疏密程度表示电场的强弱。
点电荷周围的电场线分布如图 1-24 所示。
图1-23
条形磁铁周围的铁屑分布
a b c
图1-24 点电荷的电场线
请思考：电场线是客观存在的吗？ 电场线能相交吗？ 电场线与 磁感线有什么不同？
电场的定量表示
如果把对电场的研究比作画画， 那么电场线仅勾勒出人物、
山水的轮廓，还缺乏对各个细节的描绘。
怎样才能精确地定量描述电场呢？ 物理学中引入了电场强度 的概念。
放入 电 场 中 某 点 的电荷所受 的电场力 F 跟 它 的 电 荷 量 q 的 比值，叫做该点的电场强度（electric field intensity），简称场强。
如果用E 表示电场强度，上述定义可表示为 E = F
q
在国际单位制中，场强的单位是N/C，也可写成 V/m。
例如， 两块云层间发生闪电时的场强数量级能达到106V/m 以上，意味着相隔1m 的两块云层间的电压在 106V 以上，因此放
Ｎ Ｓ
条形磁铁的磁感线
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电时能发出耀眼的闪光。 通常在干燥的空气中，起电机的两个放 电球之间发生火花放电时的场强，跟发生闪电时的场强的数量级 差不多。 我们居住的地球周围空间是一个巨大的电场，地球附近 的场强平均为130 V/m。 在原子内部，核电荷会形成一个场强很大 的电场。
例如，氢原子核的电荷量 Q = +1.6 × 10-19C，核外电子的电荷 量e = -1.6×10-19C， 核外电子在离核 r = 0.53 × 10-10m 处受到的 电场力为
F = kQe
r2 = 9.0 × 10
9× （1.6×10-19）2
（0.53×10-10）2N = 8.2 × 10-8N
根据场强的定义式，该处的场强为 E = F
|e| = 8.2 × 10-8
1.6 × 10-19 N/C = 5.1 × 1011N/C = 5.1 × 1011V/m
电场强度是一个矢量，人们规定电场强度的方向跟放在该点 的正电荷所受的电场力方向相同。 如电子绕氢原子核运动，在电 子所在的位置上 ，场强的 方向沿半径向 外，它恰好 跟 电子 所受 的 电场力方向相反（图1-25）。
如果空间某个区域内电场强度的大小和方向处处相同，这个 区域内的电场叫做匀强电场（uniform electric field）。 匀强电场的 电场线可以用一组等间距的平行直线来表示（图1-26）。
当我们知道了一个电场各处的场强大小和方向后，这个电场 就被精确地确定了。
请讨论下列问题：
1. 根据场强的定义，你能根据库仑定律导出点电荷周围电场 的场强计算公式吗？ 请试一试。
2. 从电场的意义上，如何理解库仑定律公式F = kQ1Q2
r2 ？
科技活动 观察花粉在电场中的分布
1. 将花粉均匀地拌在蓖麻油（或洗洁精）内，然后放到点电荷 电场中，观察花粉的排列形状。
2. 将两块相互平行、比较靠近的金属板，分别接到起电机的 两个放电球上，两板之间形成匀强电场。 将拌有花粉的蓖麻油容 器放进电场中。
Ｆ
Ｅ Ｅ
Ｆ
图1-25
花粉受到强电场的作用 会使它两端带有不同的电荷
（称为极化）， 在电场力作用 下 按 照 一 定 的 方 向 排 列 起 来， 犹如小磁针受磁场力作 用排列起来一样。
图1-26 匀强磁场
Ｅ
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请你先猜想一下：花粉会形成怎样的排列？ 然后通过实验，进 行观察。
a 一个点电荷周围花粉的分布
1. 你从哪些事实确信带电体周围存在电场？ 请 举例说明。
2. 体会本节中运用的类比 方 法 ，请 对 电 场 与 重 力场作一类比， 找出跟重力加速度g对应的 物理量。
3. 电场力跟电场强度有何 区 别 与 联 系 ，请 列 表 比较。
4. 图1-29为 某 电 场 的 部分电场线， 试画出 A、B 两 点 的 场 强 方 向， 并比较其场强大
小: EA EB。 若在A、B两点分别放置 一个负电荷，试画出它们的受力方向。
5. 图1-30为某电场中的一条电场线， a、b为线 上的两点，则下列判断中正确的是
A. 这是一个匀强电场
B. a点场强一定比b点场强大 C. a 点 场 强 可 能 比b
点场强小
D. 负 电 荷 在 a、b 两 处的受力方向一定
图1-29 相同。 图1-30
Ａ Ｂ ａ ｂ
科普选读
实物和场
我们有两种实在：实物和场。 毫无疑问，我们现在不能像19世纪 初期的物理学家那样，设想把整个物理学建筑在实物的概念之上。 我 们暂且把实物和场的两个概念都接受下来。 我们能够把实物和场认 为 是 两 种 不 同 的 实 在 吗 …… 但 是 区 别 实 物 与 场 的 物 理 判 据 是 什 么 呢？ 在我们熟悉相对论之前，我们可以这样回答这个问题：实物有质 量而场却没有质量。 场代表能，实物代表质量。 但是我们在熟悉了更 多的知识以后，已经知道这样的答案是不充分的。 根据相对论，我们 知道物质蕴藏着大量的能，而能又代表物质。 我们不能用这个方式定 性地来区别实物与场， 因为实物与场之间的区别不是定性上的区别
…… 把 实 物 和 场 看 作 是 彼 此 完 全 不 同 性 质 的 两 种 东 西 是 毫 无 意 义 的，我们不能想像有一个明确的界面把场和实物截然分开。
摘自《物理学的进化》［德］ 艾·爱因斯坦
［波］ 利·英费尔德著
图1-28 《物 理 学 的 进 化 》 一书的封面
c 两个 等 量 同 号 点 电 荷 周 围 的花粉分布
图1-27
b 两 个 等 量 异 号 点 电 荷周围的花粉分布
家 庭 作 业 与 活 动
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1．4
据统计， 全球平均每分 钟发生闪电6000次。 如果把 这 些 能 量 利 用 起 来 该 多 好 ！ 然而，闪电转瞬而逝，而且很 不稳定， 目前还无法直接利 用闪电的能量。
静电与生活
从闪电的功过说起
科学 研 究 指 出 ，闪 电 时 ，云 层 间 （或 云 层 与 地 面 间 ）的 电 压 可 达 108V，闪电的放电电流可达 105A，闪电的功率可达 1010kW，因 此闪电放出的能量极为巨大。
当闪电通过一条狭窄的空气通道到达地面时，顷刻间能使空 气通道的温度上升到 3×104℃，约等于太阳表面温度的 5 倍。 如果 闪电发生在云层和地面的某个物体间，遭遇雷击的地面物体瞬间 受 到 这 么 大 能 量 的 轰 击 ，会 导 致 森 林 起 火 、房 屋 倒 塌 、人 畜 伤 亡 等，造成巨大损失。
不过 ，闪 电 也 有 它 实 际 的 好 处 ，因为 每 次 闪 电 时 会 使 空 气 中 的氮和氧直接化合，产生一氧化氮（NO），随着雨水的降落到达地 面 ，形 成 硝 酸 盐 ，这 是 一 种 很 好 的 氮 肥 ，非 常 有 利 于 农 作 物 的 生 长。
在人类的进化史上，闪电也功不可没。 人类最先获得的火种 就可能来自闪电。 同时，闪电引发森林大火，林中的动物被烧死烤 熟，人类尝到了香喷喷的熟食后，才懂得吃熟食，从而促使了人类 智力的发展，加速了进化的步伐。
闪电的千秋功罪，究竟怎样评说？ 请发表你的看法。
静电的应用
闪电属于静电现象。 生活中，静电跟我们的关系很密切，许多 地方需要利用静电为我们服务。
利用静电 能 停 留在 物 体 某 一 部分并能 吸引 轻小物 体 这 一 特 点，人们发展了静电技术，开发 了 许多 具体 应用 ，如 静电 复 印机、
静电喷漆、静电植绒、静电除尘（净化空气）等新技术。
图1-31 闪电
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硒鼓 硒鼓 硒鼓 硒鼓 硒鼓从复印纸上滚过
复印出来的文稿 正电荷吸上墨粉
要复印的原稿
有 文 字 的 地 方 保留正电荷 灯光扫描原
稿上的文字 先使硒鼓带
上正电荷
复印纸 硒鼓 要复印的原稿
扫描器
■ 静电复印机
静电复印机（图1-32）的核心部分是一个硒鼓，其工作流程如 下。
■ 空气净化器
科技活动 观察静电除尘现象
如图 1-34 所示，在玻璃管中心轴上安装一根直 导线，玻璃管外绕有线圈，直导线的一端和线圈的一 端分别跟感应圈的两放电柱相连。 开始，感应圈未接 通电源，点燃蚊香，让烟通过玻璃管冒出。 当感应圈 电源接通时， 玻璃管中的导线和管外线圈间就会加 上高电压。 立即可以看到，不再有烟从玻璃管中冒出 来了。 过一会儿还可以看到管壁吸附了一层烟尘。
请思考一下：这是什么原因？
技 术 上 ，根 据 同 样 的 道 理 ，可 制 成 空 气 净 化 器 ，
供医疗、科研单位和从事精密加工制造的企业使用。 图1-34 静电除尘原理 图1-32 静电复印机
充电 由电源使硒鼓
表面带正电
曝光
将原稿上文字或（图像）
在硒鼓上形成“潜像”
显影 墨粉被“潜像”吸
引，显示字迹
转印
将带电的墨粉吸引到白纸 上，通过高温熔化形成字迹
图1-33 静电复印 的工作原理
d
a b c
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■ 静电提高洒药效果
使药液带电与叶片相吸，可防止喷洒到农作物上的农药被风 吹走，提高洒药效果。
静电的防止
静电 也有很大 的危害 ，由于静 电的显著特 点 是 电 压 高 （如 摩 擦起电时的电压数量级可达105V）， 因此在干燥的空气里极易产 生电火花，使一些易燃物品自燃甚至引起爆炸。
静电的同性相 斥 、异性相 吸的性质，有时 也 会 给 人 们 的 生 活 和工作带来烦恼。 例如，在印刷车间，由于纸张之间摩擦带电，会 使纸张粘在一起不易分开，给印刷带来麻烦。 人们身上穿着的混 纺衣服，容易沾灰带尘。 在精密的电子生产中，静电的这种危害更 大。 因此我国电子工业部早在1991 年就专门下达了防止静电污 染的条例。
防止静电危害 最基本的方法 是 ：尽快把 静 电 导 走 ，避 免 过 多 的积累。 长距离的输油管每隔 100—300m 安装接地线，油罐车后 面装一根拖在地上的铁链，存放易燃品的仓库的工人穿上导电橡 胶做的防 电靴 ，在很高 的建筑物上装避雷针 等 ，都是十 分有 效的
图1-35 电子空气净化器工作过程示意图 图1-36 利用静电喷洒农药示意图
洁净空气 针 喷嘴
带正电的水珠 活性炭过滤器
未经处理 的空气 带正电的网格
网格 带正电尘粒
带负电尘粒 带负电的网格
未经处理 的空气
空气 通 过 带 电 的 网 格 ，空 气中 带 正 电 的 微 粒 被 吸 附 ，再 经 活 性 炭 过 滤 器 过滤，即可得到洁净的空气
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家 庭 作 业 与 活 动
措施。 此外还可以用抗静电剂和放射性消静电器等设备有效地消 除静电的聚积。
你在日常生活中有没有遇到过静电现象？ 这些现象你觉得是 可以应用的，还是应该防止的？ 你有何对策？
接地电缆
图1-37 飞机加油
为了防止意外放电，加油车和飞机之间用一根金属导线相 连 （“接 地”），这样就可以导走飞机上的正电荷
1. 飞机起降时都要在跑道上滑行一段时间， 因 此飞机的机身上通常装有搭地线， 机轮轮胎 是采用导电橡胶制成的，为什么要这样做？
2. 据 记 载 ：1976年12月29日 ，停 靠 在 日 本 港 附近的挪威油轮别尔克·伊斯特拉号，因水手 油漆甲板，聚集的高压静电发生火花，点燃了 弥散在甲板上空的石油蒸汽，引起猛烈爆炸，
使这艘25万吨的超级巨轮毁于顷刻之间。 试 根据这段记载，结合你收集到的素材，为社区 写一篇宣传防止静电危害的短文。
3. 有 条 件 时 ，建 议 在 班 级 里 搞 一 个 小 专 栏 ， 以
“静电在我家”为题，通过 摄 影 、绘 画 和 文 字 ， 介绍静电与人们日常生活的关系， 交流对静 电的认识。
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第 2 章
打开电磁联系的大门
古老的磁现象和电现象，度过了分离的漫长岁月，直到 1780 年伽伐尼（A. Galvani）偶然发现“动物电”现象，才迎来了契机。
后来，伏打从动物电受到启发，用不同金属组合发明了电堆，
为人们提供了 比较稳定的 持续 的电 流，从此 ，电学从 静电的 研究 进入到对动电的研究。 随后的一系列重大的发现，揭开了磁电联 系的谜底，终于，打开了电气时代的大门。
通过本章的学习， 你将从奥斯特实验建立起电与磁的联系；
从安培实验了解电流之间通过磁场的相互作用，认识安培力以及 它所带来的改变了人们通信方式的重大发明———电报与电话；通 过对安培力的微观因素———洛仑兹力的认识，了解磁偏转现象及 其在技术和科学研究上的广泛应用，体会到科学的社会价值。 “知 识就是力量”将在这里得到美丽的展示。
奥斯特的小磁针 打开了一扇 科学领域的大门 那里过去一片漆黑 如今却充满了光明
……
揭示电磁联系的第一个实验
人类对磁现象的认识跟对静电现象的认识一样古老， 在东、
西方的文明史上都可追溯到两三千年前。 不过，由于生产力长期
2．1
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奥 斯 特 （H. C. Oersted， 1777—1851）， 丹 麦 物 理 学 家和化学家。
直到19世纪初，一些物 理学家还断言： 电和磁除了 表 面 的 一 些 相 似 性 之 外 ， 两 者在本质上没有任何联系。
早 在 春 秋 时 期 ，《管 子·
地数篇》 中就有记载：“上有 慈石者，其下有铜金。 ”当时 我国人民已知道磁的一些应 用。
古代四大发明之一的指 南针是中国人的骄傲。
低下，在很长 一段 历 史时期 内，人们对 磁现象的认识 并没有多少 进展。
在物理学史上，电磁关系的揭示经历了几百年的曲折历程。
吉尔伯特的断言
历史的脚步迈进了16 世纪， 意大利文艺复兴的浪潮席卷欧 洲，同样推动了磁的研究。 英国的吉尔伯特花了18 年的时间做了 许多关于电和磁的实验，其中最有名的是所谓“小地球”实验。 他 的有关电磁知识的巨著《论磁》，于1600 年出版，这是物理学史上 第一部系统阐述磁现象的科学著作。
由于时代的局限性，吉尔伯特给后人留下了令人遗憾的认识 误区———认为电与磁是两种截然无关的现象。
吉尔伯特认为电与磁无关的观点， 后来得到了库仑的认同。
早期电磁 学领 域 中 这 两位 杰 出 的先 驱者 的观 点 深 深 影 响 着 后 来 科学家的思想，以 至 在 很长一段时间 内，人们都 将 电 和磁作 为 孤 立的问题加以研究。
磁与电究竟有没有联系呢？ 从 18 世纪中叶起陆续发现的一 些现象，曾吸引了科学家对电磁联系的关注：
1713 年，一名英国商人发现，雷电过后，他的新刀叉竟带上磁 性；
1751 年，富兰克林发现，莱顿瓶放电后，缝纫针被磁化了；
……
1774 年，德国的巴伐利亚电学研究院提出了一个有奖征文题 目：电力和磁力是否存在着实际的和物理的相似性？
然而 ，无 论 是 当 时一些 新 奇 的发 现和一些 人为的努 力 ，都 没 有得出什么有意义的成果。
奥斯特的探索
科学家认识自 然 的观 念 ，科 学研 究 的指 导 思 想 ，从 来 就 跟 科 学家的哲学思想有着千丝万缕的联系。 丹麦物理学家奥斯特受德 国著名哲学家康 德 思 想 的影 响 ，信 奉 自 然力 是 统 一的、可 以 相 互 转化的观念。 1803 年，26 岁的奥斯特说：“我们的物理学将不再是
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图2-3 奥斯特向人展示电流的磁效应
关于运动、热、光、空气、电、磁以及我们所知道的任何其他现象的 零散的罗列，我们将把整个宇宙容纳在一个体系中。 ”他坚信电、
磁、光、热和机械运动等自然现象之间应该存在着内在的联系，关 键是在于找出转化的具体条件。 他曾说过，“既然长期以来，我认 为电力是自然界一般的力， 我必须从它们得到磁效应”；“应该检 查电是否以其最隐蔽的方式对磁体有影响”。
奥斯特不断地用实验对这一思想进行检验。
最初 ，奥 斯 特 也 希 望 像 富 兰 克 林 那 样 ，用 莱 顿 瓶 的静 电 放 电 作用使磁针运动，他做了许多实验都失败了。 接着，他想到利用伏 打电堆提供电流做实验。
1812 年 ，奥 斯 特 在 《关 于 化 学 力 和 电 力 的 统 一 的 研 究 》一 书 中，根据 电流 通 过 直 径 较 小 的导 线 会 产 生 热的现象，推 测 导 线 直 径进一步缩小，导线会发光，如再缩小到一定程度，就会产生磁效 应。 他还认为电流的磁效应，可能也像电流通过导线时发热发光 那样，是向着导线四周发射的。 沿着这个思路，奥斯特把磁针垂直 于导线上下左右放置，但他做了多次实验，都没有成功。
1820 年 4 月，在一次关于电和磁的讲课快要结束时 ，奥 斯 特 突然想到：把导线与磁针平行放置，结果会怎样呢？ 于是他把原来 沿东西方向安置的细铂线转动 90°， 使它与磁针一样沿着南北方 向即磁子午线的方向放置。 当接通电源时，他发现小磁针偏转了 一下。 在场的学生对这个现象似乎并不在意，但奥斯特却激动万 分。 多少年来梦寐以求的企盼，终于有了回应。
此后三个多月的时间内，他先后做了60 多个实验，除了把磁 针放在不同位置考察电流对它的作用方向和强弱外， 还把玻璃、
琥珀、木头、水、树 脂 、陶 器 、石 片 等 放 在 导 线 与 磁 针 之 间 ，发 现这 些非磁化的物质都不妨碍电流对磁针的偏转作用。
1820 年 7 月 21 日， 奥斯特向科学界散发了一本小册子———
《关于磁体周围电冲突的实验》，公布了他的重要发现。 从此，分离 了千百年的电与磁，终于被小磁针的偏转联系在一起了。
图2-4 伏打的电堆是一连 串用 弄 湿 的布垫片隔开的金属圆板
近 代 微 生 物 学 奠 基 人 、 法 国 的 生 物 学 家 巴 特 德 说 过：“在观察的领域里， 机遇 只偏向那些有准备的头脑。 ”
伏 打 （A. Volta， 1745— 1827），意大利科学家。
伏 打 是 意 大 利 自 然 哲 学 教 授 ，他 根 据 意 大 利 解 剖 学 家 伽 伐 尼 做 青 蛙 实 验 产 生 电 流 的 启 示 ，用 不 同 金 属 组 合 ，发 明 了 著 名 的 伏 打 电 堆。 它能产生较稳定的强大 的 电 流 ， 为 电 磁 学 的 研 究
（如 奥 斯 特 实 验 、 欧 姆 定 律 等）提供了条件。
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图2-7 环形电流产生的磁场 图2-6 右手螺旋法则 通电导线
穴电流雪 产 生 磁 场 作 用 磁针穴偏转雪
电流磁效应的发现
1857年，曾作为奥斯特实验助手的哈斯坦写信 给法拉第， 描述了他当年亲眼目睹奥斯特发现电流 磁效应的经过。 信中写道：“奥斯特将一根与伽伐尼 电池相连的导线垂直地跨在一枚磁针上， 没有发现 磁针运动。 然后他再用更强的伽伐尼电池做一次同
样的实验，并打算随后结束他的讲课，就在这时他忽 然 又 说 道 ：‘让 我 们 把 导 线 同 磁 针 平 行 地 放 置 试 试 看……’刹时间他完全愣住了，因为他看到磁针这时 几乎和磁子午线成直角地大幅度摆动着。 接着他又 说：‘现在让电流方向反过来’。于是磁针就沿着相反 方向偏转。 伟大的发现就这样诞生了。 ”
科技活动 观察通电直导线对磁针的作用———模仿奥斯特实验
如 图2-5 所 示 ， 将 小 磁 针 垂 直 于 直 导 线 或 平 行 于 直 导 线 放 置，观察通电直导线对小磁针的作用。
通电导线为什么隔着一段距离能对磁针发生作用呢？ 原来，
通电导线跟 磁体 一 样 ，能 产生磁场，它 就是 依 靠 磁场这 种 物 质 对 磁针发生作用的
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图2-5 模仿奥斯特实验 小磁针垂直于导线放置
小磁针平行于导线放置
安培的贡献
电流能产生磁场的发现像一股温暖的春风，在当时的世界科 学 中 心 法 国 回 旋 着 ， 吹 拂 着 一 批 对 科 学 发现 敏 感 的 科 学 家 的 心 扉，激起了他们迅速高涨的探索热情，很快取得了一系列成果，其 中以安培的成果最为举世瞩目。
法 国 物 理 学 家 安 培 （A. M. Ampere）根 据 通 电 直 导 线 对 不 同 位置处的磁针的作用，总结出了判断电流磁场方向的右手螺旋法 则（即 安 培 定 则 ）：用右 手 握 住 导线，让 伸 直 的 大 拇 指 所 指 方 向 跟 电流的方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向
（图2-6）。
安 培 通过 实 验 指 出 ， 不 仅 直 导线中 的 电流 可 使 磁针 发 生 偏 转，而且环形导线中的电流也可以使磁针发生偏转。 环形电流产 生的磁场的磁感线方向也可用安培定则判断（图2-7）。
沪科教版
磁场的概念和用力线描 述磁场， 都是后来法拉第引 入的。
图2-9 通电螺线管周围的铁屑 图2-10 安培定则
S N 磁感线方向
电 流 方 向 电
流 方 向
安培根据环形电流产生磁场的观点和右手 螺旋法则， 认为每个通电螺线管相当于一根条 形磁铁，一端 相 当 于 北 极 ，另 一 端 相 当 于 南 极 。 通电螺线管外部的磁场跟条形磁铁外部的磁场 相似（图2-8）。
科技活动
■ 观察通电螺线管的磁感线分布
如图 2-9 所 示 ，在 一 块 有 机 玻 璃 板 上 绕 制 一 个 螺 线管 ，在 管 的四周洒上铁屑，通电后，轻轻敲击有机玻璃板，观察铁屑在螺线 管四周排列的形状。
■ 判断通电螺线管的极性
如果用导线绕成螺线管，它的电流方向跟磁感线方向之间的 关系也 可 用 安培定 则 判 定 ：如 图 2-10 所 示，用 右手握 住 螺 线管 ， 让弯曲的四指所指的方向跟电流的方向一致，大拇指所指的方向 就是螺线管内部磁感线的方向。 也就是说，大拇指指向通电螺线 管的北极。
根据安培定则判断通电螺线管的极性后，你能否用实验加以 确认？
奥斯特实验的意义
奥斯特的发现为电磁学的研究开辟了一个崭新的领域。 法拉 第说：“这一发现猛然打开了一个科学领域的大门，那里过去是一 片漆黑，如今却充满了光明。 ”它使人们直观地认识到，各种自然
Ｎ Ｓ Ｎ Ｓ
图2-8 通电螺线管相当于条形磁铁
