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上期我们讲述了三个入门级的公式，今天我们稍作拓展，带你领略物理学的美。 4.牛顿第二定律F=ma（F为物体所受合力，m为物体质量，a为加速度）。提出者：艾萨克·牛顿。  牛顿第二定律 该公式由艾萨克·牛顿在1687年发表的《自然哲学的数学原理》一书中提出，和牛顿第一、第三定律共同奠定了经典力学的根基。  《自然哲学的数学原理》 人类对运动的本质的思考早在2300年以前就形成了理论，著名的古希腊先哲亚里士多德就提出：必须有一个恒定的力作用在物体上，物体才能够持续的运动下去，没有力的作用，物体就要静止下来。  亚里士多德 在他看来，力既是引起物体运动的原因，又是维持物体持续运动的原因。他还认为，物体越重，下落就越快。这些错误理论被人们信奉为真理长达1800年，直到1589年意大利科学家伽利略在比萨斜塔同时扔下了一个100磅的大球和一个1磅的小球，两者同时落地。  比萨斜塔实验 后来厉害的伽哥又做了理想斜面实验，得出力并不是维持物体运动的原因的结论，在惯性的作用下，物体不受任何外力也能永远运动下去，力只是改变物体运动状态的原因。  理想斜面实验 最可惜的就是伽哥比牛哥早生了100年，那时候的人们还太愚昧，宗教神权影响太大，对他提出的真理不仅不接受，反而打击，伽哥就这么被教皇囚禁了9年直到去世，著作、理论也不许传播。不然，我绝对相信物理课本上的牛顿三定律会被伽利略三定律取代。  伽利略被教皇乌尔班判处终生监禁 现在明白为什么牛顿说自己只是站在巨人的肩膀上了吧？伽利略确实为他的三定律做出了不可磨灭的贡献。这个时候万事俱备，只差临门一脚，牛顿三定律就可以诞生了。  生活中你肯定见过大卡车，马力大的重卡能拉几十吨，马力小的货车只能拉几吨；平时搬东西，重的箱子搬不动，轻的箱子一搬就动；胖子瘦子打架，被撞飞的总是瘦子。如何用一个理论完美的解释呢？牛顿的贡献就在于此，他创造了“力”的概念并量化了它。  七个基本物理量 七个人为定义的基本物理量并不包括力，在此之前物理学家们就定义m/s表示运动的快慢，m/s²表示速度变化的快慢。牛顿将其与质量Kg结合在一起，定义引起物体运动变化的因素为力，符号为F，数值为物体质量与速度变化快慢的乘积，即F=ma,单位为Kg·m/s²，简称N。  Kg·m/s²，简称N 至此现代经典物理学的地基就打好了。物理学家们在这块坚实的地基上辛勤劳作，一座包含重力、弹力、摩擦力、静电力、磁场力、压强、场强、直线运动、圆周运动、抛物线运动、功率、动量、冲量等等等等的经典物理学大厦很快建成了。  经典力学部分公式 运用经典物理学知识，我们几乎可以解决现实生活中所有的运动及做功的相关问题——杠杆、滑轮、振动、落体、发射、液压机、燃油机、电动机、发电机、喷气机、土木工程、卫星轨道···牛二定律，标志着物理学研究的开始，为人类提供了强有力的科学工具。  运动问题 5.麦克斯韦方程组。总结者：詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。 麦克斯韦方程组 也许这组公式让人看起来一点也不觉得可爱，但是如果没有它，就没有电，没有灯，没有手机，没有现在信息时代的一切智能电子产品。现在再想想，它是不是还是挺可爱的？ 电灯 麦克斯韦方程组的来源那可很值得说道说道。 先说一说电。 2500多年前，古希腊的另一名哲人泰勒斯就发现，琥珀被摩擦后会吸引绒毛或木屑，他称之为静电。 泰勒斯发现静电 静电产生的原理：物质由分子构成，分子由原子构成，原子由带负电荷的电子和带正电荷的质子构成。正常状况下，原子的质子数与电子数量相等，正负平衡，对外表现出不带电的现象。电子环绕于原子核（质子组成）周围，经外力作用(如动能、势能、热能、化学能等)可脱离轨道，离开所在的原子A而侵入其他原子B，A因减少电子数而带有正电荷，称为阳离子，B因增加电子数而带负电荷，称为阴离子。理论上来说，任何两个不同材质的物体接触后再分开，都可产生阴阳离子。 静电产生原理 电荷和人类一样，遵循同性相斥、异性相吸的原理，因此摩擦后带正负电荷的物质就会相互吸引。后来人们发现金属原子的电子很容易失去，可以将带电体的电荷“输送”回去抵消成为不带电体，就将金属物称为导体，电荷在导体中的运动过程称为电流。 同性相斥、异性相吸 人们发现了神奇的静电后，就像远古时代发现了火一样，当然要想怎么控制它、使用它。1745年，荷兰科学家马森布罗克发明了莱顿瓶。它是一个玻璃容器，内外包覆着导电金属板，瓶口上端接一个球形电极，下端利用导体（通常是金属锁链）与内侧金属板连接，外部金属箔接地（地球可视为巨大的不带电物体）。生产静电的方式是将球形电极接上静电产生器不断摩擦，内部金属板就会不断失去电子，外部金属板得到电子。由于内外金属板相邻很近但没有导体连接，静电就被“保存”在金属板中了。 莱顿瓶 时至今日，科普馆里我们摸了就会怒发冲冠的静电体验球，采用的也是莱顿瓶的原理。当我们触摸瓶上的球形电极时，身体就会失去电子而带正电，同性相斥，头发就四散分开了。 静电体验球 1752年，美国创造者之一、参与起草了《独立宣言》和美国宪法、积极主张废除奴隶制度、深受美国人民尊敬的本杰明·富兰克林，进行了著名的引雷实验，证明雷电是由静电造成的，风筝线最下面的瓶子也是莱顿瓶。 引雷实验 1799年，意大利科学家伏打，在其朋友生理学家伽伐尼的启发下发现，两种不同的金属相连，也会产生电。他舌头舔着一枚金币和一枚银币，然后用导线把硬币连接起来，在连接的瞬间，舌头有发麻的感觉。经过无数次的实验，伏打终于制成了能产生持续电流的电源。 伏打邮票 这就是世界上最早的电池——伏打电池。其由数十个银与锌的圆板相互叠加而成，在这些圆板之间放上导电的浸液片，这样就成了一个电池，它能产生相当多的电荷，把两端用金属导线连接起来就可以获得持续的电流。直到今天，我们的化学电池，无论是镍镉电池还是锂电池，原理都和伏打电池一样。 伏打电池原理 再来说一说磁。 先秦时代的中国劳动人民就已经发现了磁铁矿，约唐朝时便发明了类似指南针的仪器司南。可惜我们没有深入的研究原因，否则电气时代也许能提前1000年到来。 司南 1269年，法国学者皮埃·德马立克仔细研究了铁针在条形磁石附近各个位置的方向，第一次描绘出磁场线。他发现这些磁场线汇集于磁石的相反两端位置，就好像地球的经线相会于南极与北极。因此，他称这两个位置为磁极，而且像地球的南北极一样用S、N表示。 磁场线 1820年，一系列革命性发现诞生，开启了现代磁学理论。7月，丹麦物理学家汉斯·奥斯特发现载流导线会施加作用力于磁针，使磁针偏转指向。9月，法国科学家安德烈·玛丽·安培发现假若所载电流的流向相同，则两条平行的载流导线会互相吸引，否则会互相排斥。10月，法国物理学家让·巴蒂斯特·毕奥和菲利克斯·沙伐共同发表了毕奥-萨伐尔定律，能够正确地计算出在载流导线四周的磁场的大小和方向。 毕奥-萨伐尔定律 1825年，安培又发表了安培定律。通电直导线中，用右手握住通电直导线，大拇指指向电流的方向，四指指向就是磁感线的环绕方向；用右手握住通电螺线管，让四指指向电流的方向，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管产生磁场的N极。这就是电动机（马达）的基本原理。 安培定律 1831年10月17日，物理学界的自学成才泰斗法拉第，首次发现电磁感应现象。即放在变化的磁通量中的导体，会产生感应电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使导体中的电子流动，形成感应电流。 电磁感应 后来他又将其优化，使导体在磁场中做切割磁感线运动，同样能够产生感应电动势和感应电流。这就是发电机的原理，我们用的每一度电，都是铁棒君辛辛苦苦切磁场切出来的。 切割磁感线运动 至此，人们搞明白了电，搞明白了磁，还发现电能够产生磁，磁也能够产生电。但并没有一个很好的数学理论，能将这些现象完美的解释和统一。直到詹姆斯·克拉克·麦克斯韦于1865年归纳出麦克斯韦方程组。 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 它由四个定律组成。1.高斯定律：描述电场与空间中电荷分布的关系。指出电场线开始于正电荷，终止于负电荷。2.高斯磁定律：表明磁单极子不存在。没有孤立磁荷，磁场线没有初始点，也没有终止点。磁场线会形成循环或延伸至无穷远。3.法拉第感应定律：描述时变磁场怎样感应出电场。4.麦克斯韦-安培定律：阐明磁场可以用两种方法生成，传导电流和时变电场。 高斯 所以麦克斯韦方程组并不是老麦一个人的功劳，高斯、安培、法拉第都有功劳。没想过吧？人家高斯不止小时候会很快的计算出1+2+3···+100，还会算磁场。该方程组将电场和磁场有机地统一成完整的电磁场，并创立了电磁场理论。没有电磁学理论，就不会有现在的美好科技生活。 它的应用太多了，随便举几个例子结束本篇文章吧。三峡大坝水力发电厂、电动车、智能手机、无线通信、卫星导航、电子计算机…… 三峡大坝 敬请期待下期。 |
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