物理爱好者

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琥珀拾芥的故事



张宪魁



　　很早很早以前，有一种亮晶晶的“小石头”，人们传说是老虎死后的精魂入地变成的，因此称它为“虎魄”。又因为它晶亮透明，有着美丽的光泽，希腊的艺匠们就用它磨成各种珍贵的装饰品，因而又改叫“唬珀”。其实它是松树脂滴在地上，经过千万年演变成的化石，由碳、氢、氧等元素组成，属于一种非晶体的有机物。在我国还是一种补心安神的名贵药材。不过，人们在工作中，发现了一个奇怪有趣的现象：琥珀制品总是吸引毛发、羽毛、碎稻草等轻小物体。由于当时科学不发达，找不出原因，还以为是什么“妖魔”在作怪呢。公元前585年古代希腊有位哲学家和数学家叫泰利斯，他家中也有一块琥珀。有一天他在家休息，顺便拿出琥珀来欣赏，并且用他的长袍反复摩擦琥珀，使琥珀的光泽更加夺目。但是，当他把琥珀放回原处时，突然发觉，桌子上的一片羽毛自动地向琥珀靠近，最后竟粘在琥珀上了。泰利斯把羽毛拿开，一松手，结果羽毛照样被琥珀吸引过去。他又把羊毛和其他轻小东西放在琥珀附近做试验，结果这些轻小物体都能被摩擦后的琥珀所吸引。泰利斯无法解释这一奇怪现象，但他认为这个现象很重要，于是作了详细记录，以便让后人去研究说明。

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医生的功劳

张宪魁

由于生产及科学技术发展水平的限制，人们对电现象的研究是非常缓慢的，泰利斯之后，再没有人详细研究“琥珀拾芥”现象了。经过2000多年的漫长岁月，直到公元1600年左右，英国女王伊丽莎白一世的御医吉尔伯特出版了他的巨著《论磁》，这个现象才又被引起重视。 　　吉尔伯特是英国的著名医生，但他真正的兴趣是在研究磁石的学问上。他曾花了20多年的时间研究电和磁的实验。1600年应召进宫，当了御医。他很善于用实验来说明问题。他不仅为女王表演过摩擦琥珀吸引羽毛的现象，还用实验证明了玻璃、火漆、硫磺、橡胶等物体在被摩擦之后，同样可以吸引轻小物体。为了检验摩擦后的物体是否有吸引力，他还发明了一台既简单又灵敏的仪器：用一块很薄的木板，把一根干燥的麦杆从中间支起来，并使麦杆两端保持平衡，这样只要麦杆的任一端受到一个很小的吸引力，便会失去平衡而摇摆起来，可以说这是世界上最早的验电器。 　　吉尔伯特把具有吸引轻小物体能力的物体统称为“琥珀化”的物体，即现在所说的“带了电”的物体。为了说明这一现象，他引用希腊文“琥珀”的字根拟订了一个英文名词，它的读音与希腊语“琥珀”的读者一样，英文写作“electric”。中文译作“电”。

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电的性别

──阳电和阴电

张宪魁

人们对电现象进行观察研究的过程中，发现了一个很有趣的现象：两个相同的物体与其他某一物体摩擦后，这两个相同物体之间不是相吸而是相斥。比如两根玻璃棒用丝绸摩擦后，玻璃棒之间是相互排斥的。同时还观察到，同一个带电体如果与用毛皮摩擦过的火漆棒相吸，它就一定与用丝绸摩擦过的玻璃棒相斥。 　　1733年法国人杜菲用实验发现，带电的玻璃和带电的琥珀是相互吸引的，但是两块带电的琥珀或者两块带电的玻璃则是相互排斥的。这些现象的原因是什么呢？他猜想很可能是由于相互排斥的带电体带的是相同种类的电荷，而相互吸引的两个带电体带的是异种电荷。也就是说，自然界存在着不同种类的电荷。那么存在几种电荷呢？如何进行电荷的分类呢？ 　　杜菲根据大量的实验事实，经过比较分析，大胆地断定：电有两种：一种是与琥珀带的电性质相同，叫做“琥珀电”；一种是与玻璃带的电性质相同，叫做“玻璃电”。 　　由于“琥珀电”和“玻璃电”对其他带电体的作用恰恰相反──被“琥珀电”吸引的带电体一定被“玻璃电”排斥，所以人们就分别称它们为阳电（也叫正电）和阴电（也叫负电）。就好比我们人有男、女之分一样。当时只是用阳和阴或正和负来说明两种性质不同的电，至于称谁为正电或负电，完全是任意的。 　　为了统一起见，到了1747年，美国的富兰克林便把丝绸摩擦过的玻璃棒带的电称为“正电”，用“＋”号表示；把毛皮摩擦过的火漆棒（或琥珀）带的电称为“负电”，用“－”号表示。

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“时雨静飞尘”

──古诗中的科学道理

丁天然

三国时期的著名诗人、文学家曹植，在一首《待太子坐》中有这么四句诗： 　　白日曜青春， 　　时雨静飞尘。 　　寒冰辟炎景， 　　凉风飘我身。 　　这四句诗描写雨后天晴的自然环境。“曜”是照耀之意，这里的“青春”是指可爱如春的青春大地；“时雨”就是及时而降的雨，“静”是使之静止、压住的意思；“辟炎景”是说驱除了炎热。诗的大意是：太阳发出白光，照耀着青春大地，及时的落雨压住了飞扬的飘尘，寒气驱走了炎热，凉风徐徐吹到我身上。 　　飞尘是指飘浮在空气中的灰尘，其颗粒直径约在0．1～10微米之间。由于气压、温度的不断变化，特别是空气中各种气体分子无规则运动的撞击，使这些灰尘颗粒能长期飘浮在空气中。一般来说，在农村，每升空气中约有8万粒灰尘，在大城市则可达30万粒，甚至多到70万粒。所以，城市的空气就显得很污浊。 　　雨后的天空，飞尘顿消，洁净如洗，空气格外清新。为什么落雨可以静飞尘呢？原来，下雨时大气中的放电现象，将空气中各种气体分子进行了加工，有的分子失去电子，成为带正电的离子，有的分子则得到电子，成为带负电的离子。地球是一个带有大量负电的巨大的带电体，由于静电感应，它能够使每个下落的雨滴的底部带正电而顶部带上等量的负电，如图1－4所示。 　　对这样一个急速下落的雨滴来说，空中的正离子很难与它接近。这是因为，雨滴下部的正电荷要排斥正离子；而在雨滴上部，由于上升气流的影响又把正离子吹开。只有空中的负离子，才容易受到雨滴下部正电荷的吸引而粘到雨滴上。因此，下落的雨滴往往带上很多负电荷。大家知道，带电体具有吸引轻小物体的性质。这样，在雨滴下落过程中，通道附近的飞尘就被吸引到带电雨滴上，正像带电的橡胶棒吸引纸屑一样，于是飞尘随着雨滴最后落到地面上。假如你在刚下雨时，把一个干净的脸盆放到院子里，过一会再去看，脸盆底就沉淀了一薄层沙土，它们是粘附在雨滴上，随雨滴一起落到盆中的。这就是古诗名句“时雨静飞尘”中所包含的科学道理。

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伦琴的奇遇

张宪魁

同学们，你知道琴吗？他是德国人，因为发现了X射线（就是我们到医院透视时用的X射线），而成为第一个荣获诺贝尔物理学奖的物理学家。这里给大家讲讲他曾经遇到的一件怪事。有一次，他在山顶上工作，累了，便坐在地上休息。但是天不作美，空中出现了大片大片的乌云，而且刮起大风，大风带上乌云，从他头顶上飞过。不一会儿，一个怪现象发生了，他的长发和大胡子都竖了起来。 　　这是怎么回事呢？原来这还是电在作怪。乌云随风运动，当带电的乌云靠近地面时，如果靠近地面的乌云带的是正电，那么通过人体（导体）便把人身上的负电荷（电子）吸引到头顶上来，使头发、胡子都带了负电。由于电荷之间的相互作用，于是带负电的头发、胡子便被带正电的乌云吸引，同时头发之间、胡子之间也因带相同电荷而相互排斥。结果使头发、胡子都“炸”开、竖立起来，出现了怒发冲冠的怪样。其实，这一现象也可以在实验室里演示观察。让人站在绝缘的静电实验台上，手扶带电体或起电机使人带上电，那么人的头发同样也会向四面八方“炸开”。 　　为了进一步说明伦琴的奇遇，还应该了解“静电感应”现象。图1－6是说明静电感应现象的实验。我们用带正电的物体靠近金属筒枕形导体时（图甲），由于异种电荷相互吸引，因此枕形导体内带负电的电子就被吸引到靠近带电体的一端，这一端便因电子过多而带负电；远离带电体的一端由于缺少电子而带正电。如果在不移开带电体的情况下，把枕形导体的两部分分开（图乙），那么这两个枕形导体就分别带上了等量的正电和负电。如果先拿开带电体，而不分开枕形导体，这时枕形导体内的正、负电荷又重新中和，不再显电性。上述现象就称为静电感应，如果在枕形导体发生静电感应时，我们用手触摸一下导体，这样地球上的电子便通过人体被吸引到枕形导体上来，导体就会因得到多余的电子而带负电。这种起电方法叫感应起电。懂得了以上道理，你能解释伦琴在山顶上的奇遇了吗？请你把这个故事和它的道理再讲给你的同学听听。

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摩擦起电能使人触电身亡吗？



姚应伟



　　在干燥天气的夜晚，当你脱毛衣（或化纤衣服）时，由于毛衣与内衣、头发摩擦起电，会发生“劈劈啪啪”的响声；如果在黑暗处，还会看到小火花。这时如果你的手碰到金属的门把手，还会遭到一阵电击，感到手发麻。

　　上述现象表明，摩擦起电能产生相当高的电压。有人运用电学知识估算过，直径为1厘米的小球，在摩擦起电时竟能达到45万伏电压！

　　同学们可能要问：这么高的电压，能使人触电身亡吗？不必担心，它不会使人触电。为什么呢？原来，摩擦起电产生的电压虽然很高，但是，电量却很少，放电时间也很短，因此，在脱毛衣时，不会使你触电身亡。不过，在许多情况下，摩擦起电产生的放电火花，却会造成很大的危害。例如，油罐车开动时，动荡的油和罐壁摩擦带电以后，因放电会引起油罐爆炸。又如电子计算机房的工作人员在地毯上行走，因摩擦使人体带电，当工作人员的手触碰电子计算机时，计算机里灵敏而又脆弱的电子元件就有可能会因为瞬间的高压放电而被损坏。摩擦放电产生的电火花，有时还会引起火灾，造成巨大的损失。因此我们应该注意防止。

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第二个普罗米修斯

──富兰克林

析明



　　美国18世纪的杰出科学家、政治家富兰克林，以其发明避雷针等电学成就而被称为“电学之父”，以其参加独立战争，并起草《独立宣言》，而被称为美国的立国之父之一。但遵照他的遗嘱，在他死后，墓碑上只刻下：“印刷工富兰克林”八个字，令后人景仰不已。



　　富兰克林于1706年1月17日出生在美国波士顿城的一个贫穷制蜡工人的家庭中。因为家贫只上了两年学，从12岁起就在印书店里做工。为了获取知识，他请在书店当学徒的朋友下午下班时将书带来，他夜里读完。为此有时要通宵达旦，以便第二天一早归还，免得被老板发现。40岁后他开始了科学研究。在电学方面取得了突出的成就。其中最著名的是他的“风筝实验”。

　　在富兰克林之前，人们对雷电一直没有正确的认识。富兰克林从一次电学实验中受到启发，断定雷电是一种放电现象。为了证实自己的设想，他决心把天空的雷电引下来。在1752年7月的一个雷雨天，他和他的儿子一起做了著名的“风筝实验”。他将一块大的丝绸手帕扎到杉木条十字支架上，做成一个风筝。风筝上面固定一根向上伸出几十厘米的细铁丝。细铁丝与放风筝的细麻绳相连，麻绳下端系丝绸带，绸带上挂了一把铜钥匙。风筝穿入带有雷电的云层中，闪电在风筝上闪烁。一道闪电掠过，富兰克林觉得自己拉着麻绳的手有些麻木。他把手指靠近铜钥匙时，突然，一道电火花向他手上击去。“天电”被引下来了。富兰克林高兴极了，他忘记了电击的痛苦，激动地对身边的儿子高喊：“我受到电击了！现在可以证明闪电就是电”。后来他又用莱顿瓶收集了“天电”去做实验，证明“天电”和地电一样能被金属传导，能熔化金属，能点燃酒精。从此，人们认识了闪电的本质就是大气中的放电现象。（风筝实验极为危险，决不要再去重做，俄国利赫曼教授就是在类似的实验中牺牲的。）

　　富兰克林最早提出了避雷针的设想，并且经过多次试验，制成了实用的避雷针。1760年富兰克林在费城的大楼上竖起了一根避雷针。到1782年，仅费城就安装了400多个。就连曾经激烈反对过的教堂也安装了避雷针。

　　1700年4月17日富兰克林在费城病逝。

　　德国大哲学家康德赞扬他说：“富兰克林是从天上取火种的第二个普罗米修斯”。（普罗米修斯是希腊神话中造福人类的神。他将天上的火种带到人间，还教给人类多种手艺）。