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2000年前人们抬头看天上那道天威时， 它竟然不止代表天罚， 反而给我们今天的生活带来了巨大的改变。 陈 征 · 北京交通大学副教授 大家好！我是北京交通大学的陈征，今天我来分享一个特别有意思的话题。我们每天都要跟它打交道，如果离开它，我们的生活会变得极其不便。这个东西就是电。 摩擦起电和闪电凭什么是一回事？ 为了唤起大家对它的认识和直观的感受，我们先来做一点简单的实验。讨论电问题时，大家可能最早遇到的是摩擦起电的现象。 我们来看一下，当我吹起一个气球，把它系上口，然后在自带的实验装备——头发上蹭一蹭。这时我在桌上扔几个小纸片，气球就可以把这几个小纸片吸起来。这是不是大家很小就已经会玩的小实验？这个东西就是电。 这个东西和我们刚才摩擦后的气球一样能吸引小物体。古人虽然没有玩，但是我们今天会玩的事情就是，把一根塑料绳撕碎，撕成像毽子的东西，然后一块儿放在脑袋上蹭，它能够被托起来。大家回去都可以试试。还有用摩擦的塑料尺吸引小纸片，干过这件事的同学举个手。 我再教大家易拉罐怎么用。可以利用这个小实验，光明正大地在台上喝一听饮料。从这个声就能听起来，这不是一个假道具，是真的，而且还真能喝。有同学说了，这老师是来表演喝饮料的吗？其实，当我把易拉罐喝完，把这个很轻薄的小罐子放在这，就可以用这个小气球带着它跑。
其实摩擦起电还有很多玩法，通过碎纸屑、塑料绳，甚至易拉罐和气球这几个简单实验，大家可以先建立一种感觉。 大家觉得，那天上打雷闪电和我们身边的摩擦起电是一回事吗？有些同学会说，你都告诉我了那个叫闪电，这个叫摩擦起电，都是电，凭什么不是一回事呢？ 但大家有没有想过这个问题，在人类各个文明当中，一说起天上的东西，都是大自然威力的代表。在古希腊神话当中，宙斯是因为掌握闪电的力量成为了众神之王。在我们中国古代，我们发最毒的誓就叫“天打雷劈”。 它们从外表上看是不是差距实在太大了？你能想象这样的能量能够大到像天上的闪电一样，能够毁天灭地吗？它们又是怎么被联系到一起去的？这是一个非常重大的问题。
▲ “电”字的演变 我在这儿列了一下汉字“电”的变迁。你有没有注意到“电”字本意指的是什么？是不是就是闪电的光现象？闪电还有什么？还有声现象，那个轰隆隆的声音叫做雷。 所以我们看中国古代神话传说中的雷公电母，雷公出来都是整一个大鼓或弄一个大锣一样的东西，梆梆梆地敲，而电母有时是一个凿子，会出火花，有时干脆是个镜子。
▲ 左：琥珀 右：磁石 东西方其实都已经关注到了摩擦生电这个现象。在古希腊，泰勒斯注意到摩擦后的琥珀会吸引小的物体。同时也注意到，天然磁石也是吸引小物体的。他认为是因为它们具有“灵魂”。从现象上看，这两个现象是不是才是更像的？当时还不知道为什么是这样。
▲ 左：玳瑁 右：琥珀 中国古代王充的《论衡》当中同样有这样的记录，摩擦后的琥珀、玳瑁会有吸引小物体的倾向。但这实在和天上的“天威”联系不到一块儿去。 我们玩的摩擦起电和天上的闪电凭什么是一回事呢？
▲ 左：天上的“闪电” 右：地下的“摩擦起电” 我希望大家应该建立起一个最基本的观念：别着急去相信书本上的知识，而是问为什么，然后拿出证据来。即便是老师，你告诉我知识，也请你教我为什么，证据是什么。我们应该建立起这种最基本的逻辑思考能力。
▲ 左：摩擦后的东西能吸引物体 右：天然磁石也能吸引物体 摩擦后的物体能够吸引小物体，天然磁石也能吸引小物体，它们是一回事吗？今天你们知道它们好像不是一回事。一个我们管它叫电，一个管它叫磁。
但假如没有这些今天已知的知识，看到这两个现象又凭什么说不是一回事呢？冬天干燥，身上蹭啊蹭啊蹭，突然啪的一声，有一个微弱的火花，这和天上巨大的天威又是怎么联系在一块儿的？这实际上需要一个漫长的过程。 到底什么是“电”？ 已完成：30% ////////// 首先，近代科学是怎么认识这件事的？
▲ 英国医生吉尔伯特（公元1544-1603年） 在1600年时，有一个英国医生叫吉尔伯特。他出版了一本书，叫做《论磁》，他研究物体为什么会吸引其他物体。
▲ 把天然磁石和摩擦后的琥珀放进水里 在这本书里提到一个特别精彩的实验。天然磁石和摩擦后的琥珀不是都能吸引小东西吗？把这两个东西同时放到水里去，在水里发现天然磁石依然吸小物体，可是摩擦后的琥珀不吸了。 这说明天然磁石和摩擦后的琥珀吸引小物体的现象可能并不是相同性质导致的。磁现象名字已经有了。那么，对摩擦后的琥珀能够吸引小物体这个现象，一个东西摩擦之后会产生吸引小物体的性质，作为一位科学工作者要干的第一件事是什么？起个名字。这个名字就是吉尔伯特起的，叫electric，就是电。 那electric这个词是凭什么起的呢？它是基于elektron这个拉丁文词根起出来的，而electrum是从希腊文来的，意思是琥珀。也就是说，electric其实指的是琥珀摩擦后会产生的奇怪性质。在这个阶段，它跟我们中文的“电”是一回事吗？不是的。
▲ 德国物理学家格里克于1660年发明了最早的硫磺球起电机 那什么时候开始变成一回事了呢？1660年，奥托·冯·格里克发明了一个巨大的摩擦装置，一个大硫黄球高速转起来，一摩擦就能持续制造摩擦产生的性质。 奥托·冯·格里克这个名字大家可能听起来不太熟，但他的另一个身份大家也许听说过——马德堡市市长。对的，他就是发明了真空抽气机、做了马德堡半球实验的那位。顺便也要告诉大家，马德堡半球实验是由马德堡市市长奥托·冯·格里克在雷根斯堡做的，不是在马德堡做的，这个地点有些书上写的不对。 他发明了能够持续产生摩擦性质的装置之后，大家就开始研究。在大约1729年前后，有一个叫格雷的人发现，摩擦产生的能够吸引小物体的性质能传出去，通过一些物体传到别的地方。 他就研究这东西到底能传多远，什么物体能传，什么物体不能传。基于研究，格雷区分了能传递这些性质的物体，管它叫导体，不能传递的那些物体叫绝缘体。大家在小学阶段就已经学过这个概念，是不是？这个概念就是格雷在1729年左右建立的。
建立了这个概念之后，这个问题和天上那个事还是没关系呀？ 在1745年，有个叫米森布鲁克的人，他和另外一个普鲁士人分别发明了最早能把摩擦产生的东西装起来的装置。因为摩擦产生的东西一会儿就没了，就像我蹭这个气球，蹭完以后放在那儿，一会儿就不见了，那没法研究。 米森布鲁克发明了最早的这样一个装置，叫做莱顿瓶。之所以叫莱顿瓶，是因为米森布鲁克是莱顿大学的教授。
莱顿瓶是什么结构？一个瓶子外边包一层金属，里边装一点导体或金属，我们把两个电极连在上面，就可以把摩擦产生的东西传进去。人类有了第一个能够把摩擦产生的东西装起来的装置，那把它装起来以后能干什么呢？我们先做一个简易实验让大家感受一下。 在这做一个简易的实验，一看就足够简易、足够粗糙。用铝箔把两个普通的塑料杯子包一下，然后把这两个铝箔套起来，用一个小铝箔当作电极。
▲ 制作莱顿瓶 这样就形成了一个具有莱顿瓶结构的小装置，这个装置可以实现把摩擦产生的东西装进去。
我们在这儿做一个小实验，这是1746年曾经在巴黎圣母院广场上做过的一个著名实验。下面请几位同学到台上跟我一起做这个实验。 在1746年有一位叫诺雷的法国物理老师干过这么一件事，请一群人站在广场上手拉手。我们要做的实验非常简单，我把摩擦产生的东西装到这里去，然后我拉着你的手，请队尾那位同学摸这个位置，好吗？ 来，我们实验一下，先试一次，好吧？3、2、1，还比较温柔，是不是？ 再来一次吧，好不好？这回我转得快一点，稍微刺激一点。3、2、1。感觉如何，还挺刺激的？ 我没敢装太多，害怕有些同学受不了。这个实验当时迅速风靡欧洲，它还有一个很浪漫的名字，叫electric kiss。把摩擦产生的东西装进去，再让这个东西通过身体，我们感觉“啪”得被振了一下。 从发现电到利用电 已完成：60% ////////// 储存在莱顿瓶的摩擦生电，在靠近其他物体时出现了火花，这个火花和天上的闪电好像看起来有点像。这个现象其实中国古代也有人注意到了，张居正在笔记当中记载，他注意到冬天脱大氅时，裘皮大氅上会噼里啪啦地冒火花。 于是就有人开始猜测：天上的闪电是不是也是这个性质导致的？法国物理学家布丰和美国物理学家富兰克林在大约1750-1752年这个阶段进行了岗亭实验，富兰克林最早提出了这个方案，布丰的实验更早。
▲ 法国科学家布丰的岗亭实验 他们竖一根大金属杆子把天上的闪电引下来，然后富兰克林利用风筝把它引进一个莱顿瓶。
▲ 富兰克林的风筝实验 我在这儿贴这张图是因为网上只能找到这张图，富兰克林要真按这个方式做实验一定早就牺牲了。有一些书上写，风雨交加的夜晚，一道雷电闪过，有电流顺着风筝线到达了富兰克林隔着一个丝绸握着的铜钥匙上，然后富兰克林觉得手微微发麻，于是他相信天上的闪电和摩擦生电是一回事了。会这样吗？不会的。 当时确实有一位俄国科学家做引雷实验时献出了生命，真的发生过这样的悲剧。所以大家可千万别在雷雨时间放风筝，千万别觉得富兰克林能成功你就能成功。富兰克林没有真的拿手引电，他也是引在莱顿瓶里。 直到这个时候，才形成了天上的闪电和地上摩擦生电的性质的统一。这时我们中文的电和英文的electric才形成了对应关系。
▲ 左：伽伐尼（意大利医生和动物学家 1737-1798年）右：动物电假说 在这之后重大的节点是在18世纪末期，一位意大利医生和动物学家伽伐尼在解剖青蛙腿的时候，青蛙腿开始蹦，伽伐尼认为这是生物本身带来的电。
▲ 伏打（意大利物理学家 1745-1827年） 他的同事伏打不同意这个观点，但他没有吵架。科学家的不同在哪儿呢？我不同意你的观点，我要拿证据说话，这点值得我们学习。
▲ 最早的化学电池——伏打电堆 伏打经过几年时间去研究，他认为那个东西应该来自于金属，于是他在金属上反复研究，在1800年制造出了人类历史上最早的、能够提供稳定电源的伏打电堆，也就是今天化学电池的鼻祖。
▲ 左：水果电池 中：干电池和锂电池 右：蓄电池 从大家小时候都做过水果电池，到干电池、蓄电池，再到今天电动汽车上用的锂离子电池，归根结底都是化学电池，都是从伏打电堆开始的。
有了这个东西，我们就有了一个稳定的电的来源，可以好好研究电了。 电和磁是什么关系？ 已完成：80% ////////// 从1600年开始到1800年，从发现电和磁不同开始，过去了200年时间。那电和磁是不是就没有关系了？
▲ 奥斯特（丹麦物理学家 1777－1851年） 在1820年，丹麦有一个叫奥斯特的人偶然发现通电导线周围的小磁针会发生变化，有偏转，一下子吸引了科学家的注意。
在1821年，迈克尔·法拉第做了著名的法拉第杯实验。一个装有磁铁的杯子里边装上水银，然后放一个导线进去，导电之后，这个小的导线就会绕着磁铁转。 在此基础之上，1831年，法拉第正式建立起了电磁感应体系，给我们今天的大型发电机建立了理论基础，掀开了电气时代的序幕。 在这之后，人们对电的研究越来越深入，从最早的能量应用，后来甚至还发展了电子学。今天我们的手机、计算机这些利用电子来完成信息处理、信息传递的手段都是在这基础之上建立起来的。
▲ 麦克斯韦预言电磁波的存在 在19世纪末的1875年前后，麦克斯韦建立起了一套电磁理论，把当时电和磁的理论统一在一起，建立起了麦克斯韦方程组。他预言电和磁的传播是以电磁波的形式存在的。
▲ 左：赫兹 右：赫兹的实验装置 而这个预言在1888年被赫兹证实。于是我们可以有无线电报，有无线电话，有今天的WiFi，这些都是逐渐深入完成的。 我们应当如何思考？ 已完成：90% ////////// 今天我们已经基本上离不开电，大家可以想象如果你们家今天停电，你的日子怎么过？
但是你能想象，在2000年前人们抬头看着天上那道天威时，它竟然不止代表天罚，反而从那儿获取的知识能让我们今天的生活变得如此便利，带给我们的生活如此大的改变。 我们在摩擦小塑料尺子吸引小纸片时，你有没有想过这个东西竟然给我们的生活带来如此大的改变？这就是科学的魅力。
最后想给大家一个寄语。我们面对一个看似常识的东西，比如说摩擦起电和天上的闪电，既然都叫电，当然就应该是一回事了。事实上是这么简单吗？不是的，我们要懂得追本溯源。 到底它中文是什么意思？英文是什么意思？通过交叉比对就能知道正确的概念。这里并不是说中文一定对、英文一定对或者法文一定对，不是的，而是因为在不同语言相互转化的过程中，概念多多少少有一点变化，通过交叉比对就能搞清楚概念准确的含义。 接下来，我们看伽伐尼提出生物带电而伏打不同意他的观点时，他是怎么做的？他是吵架吗？不是，他用实验证据说话，用自己的观察和思考去寻找答案，最终通过切切实实的伏打电堆来支持他的观点。当然这也并不意味着伽伐尼就错了，今天我们知道生物电也是很重要的电的应用领域之一。 我们回顾了电早期的认识，并不是为了教大家多少知识，并不是希望大家非要背下来哪年谁做了什么，这不重要。 重要的是什么？重要的是当我们面对未知的时候应该怎么思考、怎么做。 那我今天的分享就到这儿，谢谢各位同学。 转载内容仅代表作者观点 不代表中科院物理所立场 |
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