实验物理高手自学成才典范

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  摘要:19世纪英国实验物理学家查尔斯·惠斯通是大学物理学、电工学和中学物理等教学中涉及的人物.回顾惠斯通往事,了解其人其事有助于中学物理教学,为此,文章简要介绍了腼腆、不善言辞的惠斯通之生平,展示了惠斯通对物理学、电工学及其发展的主要贡献.由本文胪列的声学、电磁学、光学等方面的研究业绩可知,惠斯通是一个科学研究多面手.事实表明,查·惠斯通是实验物理高手,又是自学成才的典范.
  关键词:英国实验物理学家;查·惠斯通
  1查尔斯·惠斯通爵士生平简说
  11查·惠斯通生平
  英国伦敦国王学院自然哲学教授、实验物理学家查·惠斯通(1802—1875)生于英国的格罗斯特,故于法国巴黎[1].惠斯通出生于乐器制造和音乐作品出版之家,14岁时他到伦敦其叔叔(乐器制造商)家当徒工,学习乐器制造技术.1823年,他自己在伦敦开办弦乐器制造厂,同时做声振动的实验研究.惠斯通善于学习、思考和钻研,通过自学迈入了科学殿堂,做乐器制造师期间便取得了一些科技成就.惠斯通兴趣广泛,动手能力强,富有且多产.他未受过高等教育和正规的科学教育,惠斯通的成功,是其自学、执着追求和刻苦研究之结果.惠斯通通晓科学史,研究领域广泛,是自然科学家里为数不多的自学成才的代表.查·惠斯通在一所私立学校接受初等教育,他爱学习,在法语竞赛中获得过奖励.15岁时,惠斯通翻译过一些法文诗,并学习拉丁文、希腊语等;他偏爱数学、物理等学科.惠斯通自幼在艺术方面表现优异,8岁通晓许多乐器,15岁时已谱写歌曲.当家人认为他会成为艺术家时,他却转换了兴趣,投身到科研中,其主因是他厌倦物体的外在表现形式,想探究物体内在的运动规律.高级技师、发明家查·惠斯通戴着眼镜,具有儒雅的外表和绅士风度,是个腼腆、不善言辞的人,他有偏头痛病,晚年才结婚.惠斯通羞涩胆小、害怕在众人面前讲话(1846年的一个晚上,惠斯通受邀在英国皇家学会做报告.他做了精心准备,并早早到达会场.当他看到会场里坐满了听众,报告开始前他竟紧张地临阵逃脱了.皇家学会只好临时请英国物理学家M·法拉第做关于光之本质的演讲以救场).受职业背景的影响,惠斯通早期的科研集中在声学、光学领域,并在这些领域做出了一些发明,写了一些有价值的论文.其声学研究和部分论文被译成法文、德文后,惠斯通成了当时科学界颇有影响的人物.1834年,他被任命为伦敦大学国王学院实验哲学教授(实验物理学教授),开设声学讲座等.惠斯通在国王学院讲过一些声学课,但他常怀疑自己的说话能力并造成了心理障碍(在英国皇家科学院的一次演讲中,他在讲台上活生生地宰了一只猫,使台下的科学家等争先恐后、夺门而逃),结果他无法从事正常的教学.如是,他停止了讲课,但国王学院仍聘他為教授.
  12查·惠斯通获得的荣誉
  惠斯通早年的志趣在声学和乐器制造上,后来研究面广了,其特点是好细琢磨,研究有毅力.他对电录音装置、发电机、电报机等做过系列研究,并取得较多成果,如极钟(一种由阳光偏振角确定太阳位置的仪器),现仍用于观察X射线和航空照相等的观察立体图象之体视镜,普莱费尔密码等,还设计过电钟.由于拥有很多的科技成就,惠斯通在业内和社会上颇有知名度.1836年,他当选为英国皇家学会会员;1837年,当选为法国科学院外籍院士.1862年,他获得牛津大学民法博士学位,1864年,又获剑桥大学法学博士学位.1868年,英王封其为爵士等.惠斯通一生从事科学研究、成果颇多,获得的勋章、奖章、荣誉约有40种.基于纪念、缅怀查·惠斯通,在物理学、电工学里有一些以其名命名的术语,如惠斯通弱视镜、惠斯通实体镜、惠斯通放大器、惠斯通电桥、惠斯通标准电池以及测量溶液电解电导率的惠斯通法等;伦敦大学国王学院还设有“惠斯通实验物理学教授”之职.
  2查·惠斯通教授科研成果简介
  惠斯通发明了万声筒、分光镜、变阻器、测光表,自动记录气象仪,陀螺仪等,首开测量电流速度实验之先河.惠斯通的实验设计思想、实验技能均高超、独到,在实验领域为物理学、电工学及发展做出过贡献.惠斯通主要研究工作在声学、电学、光学与电工技术方面,许多成果是通过其好友M·法拉第提交、公布或演示、介绍的;发现电流磁效应的丹麦物理学家H·C·奥斯特也是其好友.
  21声学研究
  惠斯通是音响专家,为弄明白音调、音色等问题,他对声学产生了浓厚兴趣,做了一些声音传播和振动的实验.1821年,惠斯通公开演示了由一根直金属丝传递远处钢琴的振动使里拉(一种七弦竖琴)发声的现象.根据1800年英国物理学家托.杨的实验:将一根钢琴弦用银线包上,它被击打后再用光照在其上,此效果是银线的作用犹如振动的镜子(托.杨写道:“闪光点会像旋转燃烧的煤炭一样勾画出线路”),并受英、法当时流行的万花筒之启发,惠斯通将声音、光、音乐和镜子综合起来思考、研究.1826年,他发明了万花图象器(声音万花筒),借助视觉记忆的持续性,利用此装置能演示、看见不同振动模式产生的复杂的振动曲线.它用一垂直固定在木座上的振动金属棒可将反射的光线变得多样化,用音锤击打该棒,由于棒顶端附有镀银的玻璃珠,在阳光下或灯光、蜡烛光下,该棒发出低沉声音之时,又反射明亮、迅速移动的光线.惠斯通说:“以不同的力度击打金属棒的不同部位,就可产生非常复杂和美丽的曲线形状.1829年,他发明六角手风琴(一种象手风琴似的小乐器).1832年,又用一根管子成功演示了驻波现象.1833年,惠斯通在方形平板上演示了不同振动模式的叠加现象;1837年,通过实验他确认音色决定于泛音的相对强度.”惠斯通还用实验验证了吹奏乐器空气振动问题中的伯努利原理等.
  22光学研究
  221电火花光谱研究
  1835年,惠斯通研究电火花光谱问题,得出该光谱取决于金属电极材料,它与电火花通过的气体没有关系.他用不同金属电极的电火花做光源,发现不同金属有不同的谱线,可作为各自的特征,他的实验证实用金属的火花放电光谱可鉴别各种金属,其工作是德国物理学家G·R·基尔霍夫(1824—1887)光谱分析与热辐射研究的先声.   研究电报机的过程中,惠斯通曾访问、咨询过美国物理学家J·亨利.改进并使希林电报机投入实用的是惠斯登和库克.驻印度的英军军官威·福·库克回英国度假时,偶然看到展示中的一款试验型电报机,便意识到此物有巨大商机.库克当机立断,辞职回国.1836年3月,退役军官库克把一部希林电报机带回家乡.回国后,他着手改进这台机器,库克凭借自己的聪明和一些电磁学常识,开发出三针式电报机.不过,由于电学理论知识不足,他未能再上层楼.这样,他向科学界寻求合作者.他拜访了法拉第和罗热,后者知道惠斯通正在研究新型电报机,就把库克引荐给惠斯通.于是,库克登门请教惠斯通教授.两人一见如故,成为莫逆之交,在之后的几十年里并肩战斗、合作研制电报机等.依靠库克的活动能力和惠斯通的智慧,他们很快有了好结果,1837年6月,他俩研制出了比希林电报机先进的机器,这是一套电磁式电报系统,它使用五枚磁针,表盘上印着20个字母和10个数字,随着电报线里电流方向的变化,每根磁针均产生摇摆,最后会使它们停在一个数字上,字母则由两根磁针的指向确定.图2是惠斯通—库克五针电报机图片,其基本原理是闭合由电池、双向开关等构成的回路,利用通电线圈的电磁效应来管控磁针的偏转方向.五针电报机的五根磁针布列在一菱形状刻度盘的中心线上,刻盘上写有字母.发报者可控制其中任意两根磁针的偏转,通过排列、組合指向字母.由于几何学的限制,五针电报机只能传送20个英文字母(J、C、Q、U、X、Z没法表示).
  242助力侦破凶杀案,惠斯通/库克电报机声名鹊起
  美国人S·F·B·莫尔斯是第一个实用电报机的发明者(电报之父),有线电报首次远距离商用的实验者则是惠斯登与库克.1837年7月25日,惠斯通、库克的电报试验主场在伦敦,其电报线长达24公里,位于休斯顿火车站到卡姆顿镇之间,在众多社会名流注视下,惠斯通在火车站售票处的小房里发了一条消息,几分种后获得库克回应.尽管什么话都没说,但人们感受到了从远处传来的情报.试验获得了成功,然而,它并没引起铁路当局的兴趣.为此,惠斯通有点失望,库克颇具商人头脑,他仍多方游说、不肯放弃.1839年,他们获得一位爵士的经费支持,促其继续试验、宣传.惠斯通等从英国帕丁顿车站到西德雷顿车站架设了一条长20公里的电报线,1941年又延伸到斯劳车站,总长约25公里,此时试验他们用的是两针式电报机.当时,伦敦人仅把电报机当成是科学奇迹的展示,投资的爵士也没什么信心,权当是资助科研.1845年,电报乏人关注的局面才戏剧性地发生转变.这一年的一天清晨,伦敦一位女性被发现死在自己房间里;借助连接斯劳车站、帕丁顿车站间的电报线,通过电报机发送的电讯,帕丁顿车站的警察掌握了犯罪嫌疑人的外貌讯息,他们很快锁定、拘捕了凶手达维尔[3].此次凶案的迅速侦破,电报快速传递的资讯乃要因,伦敦的许多大报,纷纷以醒目的标题,如神奇的远程通信仪器揪出了凶手;科学的胜利等,渲染、传输此次案件的告破.原本快黯然退场的五针电报机,因这次凶杀案的破解扭转了局面,引发公众重视、了解.惠斯通、库克的五针式电报,其特点是电文直接指向字母;经过多次改进其发报速度不断提高,它首先广泛地应用在铁路通信中,在伦敦、西德雷顿两地间通讯是其最早的实用.惠斯通、库克有线电报装置是第一种借助电流达成长途通讯的电子设备,它的应用形成了世上首个公共通讯网.从此,这样的通讯网络覆盖范围、通讯能力及其重要性年年在扩张.今天,我们的互联网、手机等以电力为驱动手段的通信方式,均得益于电报机的发明、使用.
  243组建库克·惠斯通电报公司
  五针式电报机属电子通讯设备,它是史上第一款具有实用价值的电磁式电报机.惠斯通是实用电报机发明家,他与库克注册的两种针式电报机的英国专利,使之收益高达30多万英镑.1846年,库克和惠斯登成立电报公司,大批生产商用电报机等.至此,电磁电报机已基本定型.库克·惠斯通电报公司促进了英国电报业发展,1837年到1852年,英国投入使用的电报线路有6400多英里(1839年,商用电报线在英国正式出现,如,“大西方铁路公司”设在两个车站间供通讯的电报线路;派丁顿、西德雷顿之间长13英里的电报线等).
  244研制其他电报机
  1840年,惠斯登制造出ABC电报机,并负责制订了第一套横跨英吉利海峡的电报线路方案;次年,又发明第一台电报打字机.他发明了印刷电报机、单针电报机(1851年,“伦敦世博会”上英国展出了两针式电报机)等,并做海底电报实验.1857年,惠斯通又发明第一个有实用价值的自动发报装置,它采用连续的穿孔纸带记录莫尔斯电码;莫尔斯电(1)把强磁体放进泡沫船体后方挖好的小孔里固定.
  (2)铜片从磁铁两侧穿过泡沫,但是不要与磁铁相互接触.
  (3)用一点儿双面胶把9伏电池粘在船上.
  (4)一个铜片与电池正极连接,另一个与负极连接,一艘磁流体推进船的模型(图14)就完成了.
  (5)轻轻地把船放进食盐水里进行试验,尽量不要让水面发生波动(图15)
  实验结果讨论:
  在最初的几十秒里,可看到船缓慢地开始航行改变磁极或者电流的方向,可以改变模型船的航向.
  参考文献:
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