廖祥勇

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院 江蘇 南京 210097)

1820年7月21日，丹麥物理學(xué)家奧斯特(H.C.Oersted，1777-1851)發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，揭示了電磁相互聯(lián)系的客觀事實(shí)，打開了物理學(xué)新領(lǐng)域電磁學(xué)的大門.令人不解的是，電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)竟只是起源于200年前課堂中一個(gè)“偶然”的演示實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)本身無任何操作難度，僅需將小磁針平行放置在一根南北方向的通電導(dǎo)線的正下方.現(xiàn)今中學(xué)物理課堂中，教師常會(huì)演示奧斯特實(shí)驗(yàn)，或是準(zhǔn)備好器材由學(xué)生自己操作，讓學(xué)生直觀感受電流的磁效應(yīng)，但無論哪種方式，都是在已知實(shí)驗(yàn)原理和結(jié)果的情況下進(jìn)行，容易導(dǎo)致學(xué)生對(duì)奧斯特的發(fā)現(xiàn)存在片面認(rèn)識(shí)，形成科學(xué)發(fā)現(xiàn)是一帆風(fēng)順的錯(cuò)誤觀念，不利于學(xué)生探索精神和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng).此外，與安培、法拉第等物理學(xué)家相比，人們對(duì)奧斯特缺乏關(guān)注和重視，多數(shù)學(xué)生對(duì)奧斯特的認(rèn)識(shí)僅停留在“碰巧”發(fā)現(xiàn)了電流磁效應(yīng)上.因此，本文將暫時(shí)拋開經(jīng)典電磁理論的框架，回顧歷史，探討電流磁效應(yīng)發(fā)現(xiàn)背后存在的阻礙與困難之處，重新認(rèn)識(shí)奧斯特實(shí)驗(yàn)，以此紀(jì)念電流磁效應(yīng)發(fā)現(xiàn)200周年，并對(duì)中學(xué)物理課堂中進(jìn)行相關(guān)教學(xué)提出建議.

1 奧斯特生平簡(jiǎn)介

奧斯特出生在丹麥一個(gè)小鎮(zhèn)上的普通家庭，父親是一名藥劑師，從11歲起，奧斯特便在藥店擔(dān)任父親的配藥助手.青年時(shí)代，奧斯特進(jìn)入哥本哈根大學(xué)，學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)、自然哲學(xué)、物理學(xué)等課程.正是這個(gè)時(shí)期，奧斯特對(duì)康德的哲學(xué)思想產(chǎn)生了濃厚的興趣，進(jìn)行了深入地學(xué)習(xí)和研究，并于1799年發(fā)表論文《論自然科學(xué)的形而上學(xué)基礎(chǔ)》，闡述康德哲學(xué)思想對(duì)自然科學(xué)的指導(dǎo)作用，因此而獲哲學(xué)博士學(xué)位.康德思想對(duì)奧斯特日后研究工作的開展影響頗深.1801年，奧斯特出國(guó)訪學(xué)，在德國(guó)結(jié)識(shí)了許多當(dāng)時(shí)著名的哲學(xué)家和科學(xué)家，如哲學(xué)家謝林(F.Schelling)、物理學(xué)家湯姆孫(B.Thompson)以及化學(xué)家里特(J.W.Ritter)等.其中奧斯特與里特交往甚密，并和他一起進(jìn)行了很多電化學(xué)的實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)到了電、熱、光及化學(xué)效應(yīng)之間的聯(lián)系.一年后，奧斯特來到法國(guó)巴黎，與德國(guó)濃厚的抽象思辨哲學(xué)氛圍不同，法國(guó)的自然科學(xué)高度發(fā)展，且尤為看重實(shí)驗(yàn).奧斯特曾感嘆道：“柏林那種沒有實(shí)驗(yàn)技藝的、枯燥的演講，一點(diǎn)也不能引起我的興趣，因?yàn)樗械目茖W(xué)進(jìn)步，畢竟都從實(shí)驗(yàn)開始[1].”1806年，奧斯特開始在哥本哈根大學(xué)擔(dān)任教職，從事教學(xué)和科研工作.1820年發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)，整個(gè)歐洲科學(xué)界為之轟動(dòng)，奧斯特及其偉大發(fā)現(xiàn)也被永久載入科學(xué)史冊(cè).

2 奧斯特的早期電磁觀

1805年，奧斯特在給好友里特的信中提到，建議將電學(xué)、磁學(xué)統(tǒng)一擴(kuò)展到化學(xué)領(lǐng)域，并提出一種猜想，所有自然現(xiàn)象都是由相反電性力產(chǎn)生的[2].康德(I.Kant)也曾提出自然界中存在可以與其它各種形式力相互轉(zhuǎn)化的基本力，且基本力只有吸引力和排斥力兩種.1812年，奧斯特在其著作《關(guān)于化學(xué)力和電力的同一性研究》中提到一種關(guān)于電與磁的想法，他猜想導(dǎo)線中的電沖突(電流)會(huì)以波的形式展布于空間，隨著導(dǎo)線直徑的逐漸縮小而遞次轉(zhuǎn)化為熱、光和磁，指出“應(yīng)該檢驗(yàn)電是否以最隱蔽的方式對(duì)磁體有所影響”[3].可以看出，奧斯特早期認(rèn)為通電導(dǎo)線的磁效應(yīng)應(yīng)該與光、熱效應(yīng)一樣，向四周輻射，如圖1所示.

圖1 奧斯特早期認(rèn)為的通電直導(dǎo)線的磁效應(yīng)示意圖

3 電流磁效應(yīng)實(shí)驗(yàn)預(yù)期結(jié)果及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

從奧斯特早期電磁觀出發(fā)，重建通電直導(dǎo)線的磁場(chǎng)分布，假設(shè)通電直導(dǎo)線的這種磁效應(yīng)吸引小磁針的南極，排斥北極，如圖2所示(圖中僅表示出導(dǎo)線兩端點(diǎn)對(duì)小磁針兩極端點(diǎn)的作用力方向，實(shí)際應(yīng)是導(dǎo)線每一點(diǎn)都對(duì)小磁針兩極有作用力，不影響定性分析).以此可以推測(cè)奧斯特早期電磁觀下的理論預(yù)期結(jié)果(即小磁針的偏轉(zhuǎn)情況),并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.未知導(dǎo)線放置方向和小磁針的擺放位置對(duì)此實(shí)驗(yàn)的影響時(shí)，二者的放置應(yīng)該是隨意的.選取典型情況，可分為兩大類：導(dǎo)線與小磁針平行和導(dǎo)線與小磁針垂直.

圖2 奧斯特觀點(diǎn)下通電直導(dǎo)線對(duì)小磁針的作用力示意圖

3.1 導(dǎo)線與小磁針平行

實(shí)驗(yàn)一步驟：

(1)小磁針放置在導(dǎo)線延長(zhǎng)線上，與導(dǎo)線同一高度，如圖3中a位置.

(2)小磁針放置在導(dǎo)線正下方(或正上方)，如圖3中b位置.

(3)小磁針放置在導(dǎo)線左側(cè)(或右側(cè))，與導(dǎo)線同一高度，如圖3中c位置.

理論預(yù)期結(jié)果：

(1)小磁針南極受到通電直導(dǎo)線的吸引力，北極受到排斥力，但吸引力、排斥力方向與小磁針在同一直線上，小磁針不會(huì)偏轉(zhuǎn).

(2)小磁針的南極受到通電導(dǎo)線豎直向上的吸引力，北極受到豎直向下的排斥力，兩極會(huì)在豎直方向發(fā)生上下抖動(dòng).

(3)小磁針的南極受到通電直導(dǎo)線水平向里的吸引力，北極受到水平向外的排斥力，小磁針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn).

真實(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

(1)小磁針未發(fā)生偏轉(zhuǎn).

(2)小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，未觀察到兩極上下抖動(dòng).

(3)小磁針未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但兩極在豎直方向上發(fā)生抖動(dòng)(注：小磁針發(fā)生抖動(dòng)時(shí)，會(huì)伴有小角度偏轉(zhuǎn)，但換用更穩(wěn)定的小型磁針后，偏轉(zhuǎn)角度幾乎可以忽略).

圖3 導(dǎo)線南北放置、小磁針位于不同位置的實(shí)驗(yàn)圖

3.2 導(dǎo)線與小磁針垂直

實(shí)驗(yàn)二步驟：

(4)小磁針放置在導(dǎo)線延長(zhǎng)線上，與導(dǎo)線同一高度，如圖4中a位置.

(5)小磁針放置在導(dǎo)線正上方(或正下方)，與導(dǎo)線垂直，如圖4中b位置.

(6)小磁針放置在導(dǎo)線右側(cè)(或左側(cè))，與導(dǎo)線同一高度，如圖4中c位置.

圖4 導(dǎo)線東西放置、小磁針位于不同位置的實(shí)驗(yàn)圖

理論預(yù)期結(jié)果：

(4)小磁針南極和北極會(huì)分別受到通電直導(dǎo)線每一點(diǎn)給它們的吸引力和排斥力，在合力作用下小磁針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn).

(5)小磁針南極和北極會(huì)分別受到通電直導(dǎo)線每一點(diǎn)給它們的吸引力和排斥力，在合力作用下小磁針不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但兩極會(huì)在豎直方向上下抖動(dòng).

(6)小磁針兩極會(huì)受到通電導(dǎo)線每一點(diǎn)的吸引力或排斥力，但合力方向與小磁針平行，小磁針不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn).

真實(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

(4)小磁針未發(fā)生偏轉(zhuǎn).

(5)小磁針未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，未觀察到兩極上下抖動(dòng).

(6)小磁針未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但兩極會(huì)發(fā)生上下抖動(dòng).

可以看出，以?shī)W斯特的早期電磁觀重建通電直導(dǎo)線的磁場(chǎng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)預(yù)期結(jié)果與真實(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象存在很大差別.未知導(dǎo)線擺放方向及小磁針擺放位置時(shí)，導(dǎo)線和小磁針的擺放位置可大致分為以上6類.奧斯特觀點(diǎn)下預(yù)期能觀察到小磁針偏轉(zhuǎn)的是(3)、(4)兩類情況，對(duì)應(yīng)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是小磁針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而真實(shí)實(shí)驗(yàn)中能觀察到小磁針偏轉(zhuǎn)的情況在當(dāng)時(shí)看來卻恰好不能發(fā)生偏轉(zhuǎn).因此，奧斯特的早期電磁觀導(dǎo)致他難以將小磁針放置在南北方向的導(dǎo)線正下方.故從實(shí)驗(yàn)本身來看，要發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)實(shí)屬不易.這種不正確的電磁觀與牛頓等人的中心力思想有關(guān)，此前人們所見過的力都是在兩物體的延長(zhǎng)線上，是縱向作用，而通電導(dǎo)線對(duì)小磁針的力是一種橫向作用.

4 發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)的其它阻礙

除導(dǎo)線和小磁針的擺放位置對(duì)奧斯特實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響外，其它因素也可能是電流磁效應(yīng)發(fā)現(xiàn)過程中的阻礙.

4.1 電路開放

而且這種情況(指小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn))是伽伐尼電路閉合時(shí)發(fā)生的，不是開放時(shí)發(fā)生的，如同某些著名物理學(xué)家?guī)啄昵跋胱龆鴽]有做成的那樣[4].

奧斯特在1820年7月發(fā)表的具有劃時(shí)代意義的論文中指出，要將電路閉合，而非開放狀態(tài)，說明此前有學(xué)者試圖以開放電路尋找電磁之間的聯(lián)系.物理學(xué)史上也確有其事.1802年，意大利學(xué)者羅曼諾西猜想伏打電堆的電極與磁極具有相似性，電極可能對(duì)小磁針存在靜力作用，實(shí)驗(yàn)自然未能成功.1805年，德國(guó)哈切特和笛索米斯用一根絕緣繩將伏打電堆懸掛起來，將其看作磁體或磁針，試圖觀察它在地磁作用下的取向變化，實(shí)驗(yàn)同樣未能取得成功[5].

4.2 對(duì)電流本質(zhì)認(rèn)識(shí)模糊

令伽伐尼儀器(電堆)相反的兩極由一根金屬線連結(jié)著，為簡(jiǎn)單起見，今后我們稱該線為連接導(dǎo)體和連接線.至于該導(dǎo)體及其周圍空間發(fā)生的效應(yīng)，我們稱之為電沖突[4].

奧斯特在1820年7月的論文中將電流看作是兩種“電”在導(dǎo)線中的“碰撞”，持續(xù)不斷地發(fā)生分離和中和，從而在空間中放射出熱、光和磁效應(yīng)，這種電流觀導(dǎo)致他將通電導(dǎo)線的磁效應(yīng)與熱、光效應(yīng)進(jìn)行類比.歷史上對(duì)于電的認(rèn)識(shí)進(jìn)程尤為漫長(zhǎng)，伏打發(fā)明電堆以后，獲得了較為持續(xù)穩(wěn)定的電流，科學(xué)家們雖然會(huì)利用伏打電堆進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但對(duì)電流本質(zhì)的認(rèn)識(shí)是模糊的，存在著多種解釋和觀點(diǎn).直到1862年，韋伯(W.E.Weber)首次以帶電粒子的移動(dòng)解釋電流現(xiàn)象，才使得“靜電”和“動(dòng)電”統(tǒng)一起來[5].

4.3 電堆提供的電流可能不足

由于這些是用多少有點(diǎn)缺點(diǎn)的儀器進(jìn)行的，所以它所產(chǎn)生的現(xiàn)象，與該問題的重要性相比，好像不夠清楚，為此，我特邀請(qǐng)我的朋友、國(guó)王的司法大臣艾絲馬奇同我合作，共同合制更大的伽伐尼儀器來重做這實(shí)驗(yàn)[4].

奧斯特在1820年7月的論文中提到，他在4月份的演示實(shí)驗(yàn)之后，與好友合作制造了一個(gè)更大的電堆，以便更清楚地觀察小磁針的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象.當(dāng)通電直導(dǎo)線對(duì)小磁針的作用力能夠克服摩擦力和地磁場(chǎng)的影響時(shí)，小磁針才會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)且偏轉(zhuǎn)角度隨著電流的增大而增大.已有研究表明，接直流電源時(shí)，通電直導(dǎo)線中的電流達(dá)到1 A時(shí)，小磁針的偏轉(zhuǎn)角度約為20°[6].當(dāng)然，小磁針的偏轉(zhuǎn)也與針的型號(hào)、針與導(dǎo)線的距離等因素有關(guān)，伏打電堆所提供的電壓也與其構(gòu)造有關(guān).從奧斯特制造了一個(gè)更大的電堆可以推測(cè)，他在課堂演示時(shí)所用到的電堆應(yīng)是一個(gè)小電堆，攜帶方便，符合演示實(shí)驗(yàn)中現(xiàn)象不明顯的史實(shí).伏打電堆在當(dāng)時(shí)是非常昂貴的器材，電堆提供的電流不足也可能是阻礙其他科學(xué)家探究的因素之一.

4.4 導(dǎo)線直徑太細(xì) 電阻較大

第一次實(shí)驗(yàn)他打算使一個(gè)伽伐尼電池的電流通過一條很細(xì)的鉑絲，鉑絲放在有玻璃蓋的指南針上方[2].

奧斯特認(rèn)為隨著導(dǎo)線直徑的減小，通電后會(huì)依次表現(xiàn)出熱、光、磁效應(yīng).于是，在課堂演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，他選擇了一根很細(xì)的鉑絲，而導(dǎo)體的電阻與其直徑成反比，且鉑絲的電阻隨著溫度的升高而增大(溫度為120 ℃時(shí)，鉑絲電阻可達(dá)200 Ω).奧斯特于1820年7月發(fā)表的論文中也有記載，他不僅制造了更大的伽伐尼電池，并且拋棄之前的錯(cuò)誤想法，不采用細(xì)導(dǎo)線，而是將導(dǎo)線扎在一起，以增大導(dǎo)線直徑.因此，采用直徑很小的導(dǎo)線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致電阻過大，電流過小，也是阻礙電流磁效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的因素之一.

5 總結(jié)

19世紀(jì)初人類對(duì)于電、磁聯(lián)系的探索是艱難而曲折的，實(shí)現(xiàn)奧斯特實(shí)驗(yàn)并非如現(xiàn)在看來的那么簡(jiǎn)單，恰恰相反，走向終點(diǎn)實(shí)驗(yàn)的過程中充滿各種阻礙.也正是因?yàn)閵W斯特這一轟動(dòng)性的發(fā)現(xiàn)，安培才拋棄之前電磁無聯(lián)系的觀念，在奧斯特論文發(fā)表的兩個(gè)月內(nèi)，就發(fā)現(xiàn)了電流方向和磁針轉(zhuǎn)動(dòng)方向的關(guān)系，即安培定則.而后又發(fā)現(xiàn)了電流產(chǎn)生磁力的定律，提出分子環(huán)流假說，奠定了電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ).此后，電磁學(xué)領(lǐng)域有了更長(zhǎng)足的發(fā)展，且與人類社會(huì)生活息息相關(guān).對(duì)于奧斯特的發(fā)現(xiàn)，法拉第贊揚(yáng)它“打開了科學(xué)中一個(gè)黑暗領(lǐng)域的大門，使其充滿光明”.科學(xué)史上也留下了濃墨重彩的一筆：1820年7月21日，丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng).

中學(xué)物理課堂中進(jìn)行相關(guān)教學(xué)時(shí)，教師可以對(duì)電流磁效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的歷史背景進(jìn)行補(bǔ)充，帶領(lǐng)學(xué)生“探究”電、磁之間的聯(lián)系，失敗的探索同樣也有收獲，探究中可讓學(xué)生自己擺放小磁針和導(dǎo)線的位置，經(jīng)歷科學(xué)發(fā)現(xiàn)的歷程.還可以提出反思性問題，如“為什么1800年伏打發(fā)明電堆以后，所有技術(shù)和理論條件都具備的情況下，奧斯特卻在20年后才發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)”，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)看似簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)背后實(shí)則困難重重，認(rèn)識(shí)到科學(xué)發(fā)展過程的漫長(zhǎng)曲折，從而更深刻地感悟到這一偉大發(fā)現(xiàn)的劃時(shí)代意義，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)及科學(xué)探索精神.此外，“機(jī)遇”在教材和教學(xué)中較少出現(xiàn)，人們更偏向于用邏輯的方式解釋科學(xué)發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)奧斯特是在統(tǒng)一性觀念的指導(dǎo)下做出了偉大發(fā)現(xiàn).實(shí)際上，奧斯特的發(fā)現(xiàn)的確帶有一定的偶然性，他也并非始終致力于探索電、磁聯(lián)系，這只是他工作中占比較小的一部分.因此，在教學(xué)中忽略“機(jī)遇”也同樣是不可取的，對(duì)奧斯特發(fā)現(xiàn)中的“機(jī)遇”有所說明更有助于學(xué)生全面認(rèn)識(shí)奧斯特及其偉大發(fā)現(xiàn).