焦耳(James Prescort Joule,1818~1889)英國杰出的物理學(xué)家。1818年12月24日生于曼徹斯特附近的索爾福德。父親是個富有的啤酒廠廠主。焦耳從小就跟父親參加釀酒勞動,學(xué)習(xí)釀酒技術(shù),沒上過正規(guī)學(xué)校。16歲時和兄弟一起在著名化學(xué)家道爾頓門下學(xué)習(xí),然而由于老師有病,學(xué)習(xí)時間并不長,但是道爾頓對他的影響極大,使他對科學(xué)研究產(chǎn)生了強(qiáng)烈的興趣。1838年他拿出一間住房開始了自己的實(shí)驗(yàn)研究。他經(jīng)常利用釀酒后的業(yè)余時間,親手設(shè)計制作實(shí)驗(yàn)儀器,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。焦耳一生都在從事實(shí)驗(yàn)研究工作,在電磁學(xué)、熱學(xué)、氣體分子動理論等方面均作出了卓越的貢獻(xiàn)。他是靠自學(xué)成為物理學(xué)家的。 焦耳是從磁效應(yīng)和電動機(jī)效率的測定開始實(shí)驗(yàn)研究的。他曾以為電磁鐵將會成為機(jī)械功的無窮無盡的源泉,很快他發(fā)現(xiàn)蒸汽機(jī)的效率要比剛發(fā)明不久的電動機(jī)效率高得多。正是這些實(shí)驗(yàn)探索導(dǎo)致了他對熱功轉(zhuǎn)換的定量研究。 從1840年起,焦耳開始研究電流的熱效應(yīng),寫成了《論伏打電所生的熱》、《電解時在金屬導(dǎo)體和電池組中放出的熱》等論文,指出:導(dǎo)體中一定時間內(nèi)所生成的熱量與導(dǎo)體的電流的二次方和電阻之積成正比。此后不久的1842年,俄國著名物理學(xué)家楞次也獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律,所以被稱為焦耳-楞次定律。這一發(fā)現(xiàn)為揭示電能、化學(xué)能、熱能的等價性打下了基礎(chǔ),敲開了通向能量守恒定律的大門。焦耳也注意探討各種生熱的自然“力”之間存在的定量關(guān)系。他做了許多實(shí)驗(yàn)。例如,他把帶鐵芯的線圈放入封閉的水容器中,將線圈與靈敏電流計相連,線圈可在強(qiáng)電磁鐵的磁場間旋轉(zhuǎn)。電磁鐵由蓄電池供電。實(shí)驗(yàn)時電磁鐵交替通斷電流各15分鐘,線圈轉(zhuǎn)速達(dá)每分鐘600次。這樣,就可將摩擦生熱與電流生熱兩種情況進(jìn)行比較,焦耳由此證明熱量與電流二次方成正比,他還用手搖、砝碼下落等共13種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),最后得出:“使1磅水升高1°F的熱量,等于且可能轉(zhuǎn)化為把838磅重物舉高1英尺的機(jī)械力(功)”(合460千克重米每千卡)。總結(jié)這些結(jié)果,他寫出《論磁電的熱效應(yīng)及熱的機(jī)械值》論文,并在1843年8月21日英國科學(xué)協(xié)會數(shù)理組會議上宣讀。他強(qiáng)調(diào)了自然界的能是等量轉(zhuǎn)換、不會消滅的,哪里消耗了機(jī)械能或電磁能,總在某些地方能得到相當(dāng)?shù)臒。這對于熱的動力說是極好的證明與支持。因此引起轟動和熱烈的爭議。 為了進(jìn)一步說服那些受熱質(zhì)說影響的科學(xué)家,他表示:“我打算利用更有效和更精確的裝置重做這些實(shí)驗(yàn)!币院笏淖儨y量方法,例如,將壓縮一定量空氣所需的功與壓縮產(chǎn)生的熱量作比較確定熱功當(dāng)量;利用水通過細(xì)管運(yùn)動放出的熱量來確定熱功當(dāng)量;其中特別著名的也是今天仍可認(rèn)為是最準(zhǔn)確的槳葉輪實(shí)驗(yàn)。通過下降重物帶動量熱器中的葉片旋轉(zhuǎn),葉片與水的摩擦所生的熱量由水的溫升可準(zhǔn)確測出。他還用其他液體(如鯨油、水銀)代替水。不同的方法和材料得出的熱功當(dāng)量都是423.9千克重·米每千卡或趨近于423.85千克重·米每千卡。 在1840~1879年焦耳用了近40年的時間,不懈地鉆研和測定了熱功當(dāng)量。他先后用不同的方法做了400多次實(shí)驗(yàn),得出結(jié)論:熱功當(dāng)量是一個普適常量,與做功方式無關(guān)。他自己1878年與1849年的測驗(yàn)結(jié)果相同。后來公認(rèn)值是427千克重·米每千卡。這說明了焦耳不愧為真正的實(shí)驗(yàn)大師。他的這一實(shí)驗(yàn)常數(shù),為能量守恒與轉(zhuǎn)換定律提供了無可置疑的證據(jù)。 1847年,當(dāng)29歲的焦耳在牛津召開的英國科學(xué)協(xié)會會議上再次報告他的成果時,本來想聽完后起來反駁的開爾文勛爵竟然也被焦耳完全說服了,后來兩人合作得很好,共同進(jìn)行了多孔塞實(shí)驗(yàn)(1852),發(fā)現(xiàn)氣體經(jīng)多孔塞膨脹后溫度下降,稱為焦耳-湯姆孫效應(yīng),這個效應(yīng)在低溫技術(shù)和氣體液化方面有廣泛的應(yīng)用。焦耳的這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在1850年總結(jié)在他出版的《論熱功當(dāng)量》的重要著作中。他的實(shí)驗(yàn),經(jīng)多人從不同角度不同方法重復(fù)得出的結(jié)論是相同的。1850年焦耳被選為英國皇家學(xué)會會員。此后他仍不斷改進(jìn)自己的實(shí)驗(yàn)。恩格斯把“由熱的機(jī)械當(dāng)量的發(fā)現(xiàn)(邁爾、焦耳和柯爾丁)所導(dǎo)致的能量轉(zhuǎn)化的證明”列為19世紀(jì)下半葉自然科學(xué)三大發(fā)現(xiàn)的第一項(xiàng)。 選自:《物理教師手冊》 |