名人故事:焦耳的科學研究故事
焦耳(1818~1889)是英國人,1818年12月24日出生在曼徹斯特市一家啤酒廠主的家庭里,從小就跟著爸爸釀酒,沒有進過學校。然而焦耳天資聰明,喜歡讀書,常常一邊勞動一邊認字,自學到不少知識。后來,他幸運地認識了著名化學家道爾頓教授,便常常到他那里請教。從此,焦耳對自然科學,特別是實驗科學產生了濃厚的興趣。
有一次,焦耳與哥哥一塊找來一匹跛馬,把電流通到馬身上,馬受到刺激便狂跳起來。焦耳記下電流的大小和馬的狂跳程度,說這是用馬來觀察電擊實驗。還有一次,焦耳用火藥槍發出的巨響做回聲實驗。為使響聲更大些,他向槍膛中裝了三倍的火藥,結果槍口噴出的火焰把焦耳的眉毛都燒光了。
24歲時,焦耳開始對通電導體放熱的問題進行深入的研究。他把父親的一間房子改成實驗室,一有空便鉆到實驗室里忙個不停。焦耳首先把電阻絲盤繞在玻璃管上,做成一個電熱器。然后把電熱器放入一個玻璃瓶中,瓶中裝有已知質量的水。給電熱器通電并開始計時,用鳥羽毛輕輕攪動水,使水溫度均勻。從插在水中的溫度計,可隨時觀察到水溫的變化。同時用電流計測出電流的大小。焦耳把這種實驗做了一次又一次,大量數據使焦耳發現:電流通過導體時產生的熱量跟電流的平方成正比,跟導體的電阻成正比,跟通電的時間成正比。
焦耳把這一實驗規律寫成論文《關于金屬導體和電池在電解時放出的熱》,并于1841年發表在英國《哲學雜志》上。然而,論文并沒有引起學術界的重視。因為在一些學者們看來,電與熱的關系不能那么簡單,況且焦耳只是一個釀酒師,又沒有大學文憑。一年后,俄國彼德堡科學院院士楞次也做了電與熱的實驗,并得到與焦耳完全一致的結果。焦耳的論文才得到重視,后來人們把這個定律叫做焦耳定律。
外界的冷落與贊美都沒有影響焦耳對真理的追求,他仍繼續著自己的實驗工作。在完成電流熱效應的研究之后,焦耳又進行了功與熱量的轉化實驗。焦耳認為,自然界的能量是不能消滅的,消耗了機械能,總能得到相應的熱能。因此,做功和傳遞熱量之間一定存在著確定的數量關系。那么1卡的熱量相當于多少焦耳的.功呢?(今天,人們把這一換算關系叫做熱功當量。)焦耳想用實驗找到這一關系。為此,他精心設計了量熱器,用不同方法進行實驗探索。從1843年起在近40年當中,焦耳做了400多次實驗,終于得出了比較精確的熱功當量值1卡=4.15焦耳。這一數值與今天公認的熱功當量值1卡=4.18焦耳比較起來雖然小了些,但在當時的實驗條件下卻是件了不起的事。焦耳的熱功當量值曾保持了30年沒有變化,這在物理學史上是極為罕見的。
焦耳準確地測定熱功當量,以無可辯駁的事實進一步證明了能的轉化和守恒定律是客觀真理。這一定律的確定,在理論上,不僅對自然科學的發展提供了一個堅實的理論基礎,而且也為建立辯證唯物主義提供了有力的科學依據。在實踐上,它給制造“永動機”的幻想做了“不能實現”的最后判決?傊,它使我們在撲朔迷離、千姿百態的物理現象中,不再無所適從,為人類認識自然、改造自然提供了強有力的武器。
為了紀念這位物理學家的偉大業績,物理學將功的單位命名為焦耳。
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