宁波大学答题纸

（2020 —2021学年第 1 学期）

课号：096T06A      课程名称： 改变世界的力学 改卷教师：  王骥  

学号：186002969           姓名：裴澳航         得分：        

法拉第和皇家研究院

法拉第被公认为是人类历史上最伟大的实验哲学家之一。爱因斯坦认为，法拉第和麦克斯韦共同开启了牛顿之后物理学理论基础的最重大变革。他的成果卷帙浩繁且涉猎领域极其广泛。和物理学家、工程师、材料学家一样，众多的现代化学家纷纷将法拉第推崇为他们各自学科的奠基人之一。当今的许多科学和技术都起源于法拉第的工作。在全世界，没有人比法拉第享有更广泛的来自科学家的尊重，他比任何一位物理学家遗留给后人更大量的纯科学成就。他的科学发现的实际应用已经深深影响了文明社会的面貌。

法拉第是自学成才的。他12岁就辍学了，开始了自己的工作生涯，最初是一名听差童，而后成为一名订书匠。在他发表的450余篇论文中，不曾出现过一个微分方程—法拉第完全不懂数学。然而正如麦克斯韦所指出的那样，微积分只不过是数学的一个具体领域而已。据他的说法，法拉第“实际上是一位非常高层次的数学家，以后的数学家们可以从他那里获得宝贵的丰富多彩的新方法。”

法拉第的生活和工作是科学史册中最浪漫和最成功的一夜，而这又和皇家研究院的命运密不可分的交融在一起。自从在1812年，因为一个偶然的机会第一次踏入皇家研究院的大门以后，法拉第在那里生活和工作了近50年。从最初得到慧眼识珠的恩师戴维的提携开始，他的所有科学发现都是在那里完成的，他所有的成功并延续至今的教育创新模式都是在那里开启的。

法拉第的早年教育非常简单，比最初的阅读、书写和算术稍微高一点。他辍学后，就在一家书店做订书和售书的听差童，后来书店老板收他为学徒。在其后的数年里，他阅读了那些他装订的书籍。其中的一本是1797年第三版的《大英百科全书》，从中他碰巧读到了由泰特勒先生撰写的有关电的文章。这个主题引起他的兴趣。他也装订了《化学对话》，是为当时的大化学家戴维的听众出版发行的。他有一个笔记本专门记下他认为重要的一些知识，并对一些现象做出自己的分析。有一天，书店里来了一个丹斯的顾客，偶然间读到了法拉第的笔记，他不仅对这个贫穷的年轻人对科学的喜爱感到惊奇，简单交谈后，他给了法拉第一张入场券，可以去听戴维在皇家研究院的系列讲座的最后四场。他被戴维的演讲所陶醉，做了及其详尽的记录，经重新整理，加上插图和索引，然后把它们装订成册。他后来回忆起这段经历：我渴望逃离我以为是堕落和自私的商业生活，献身于我想象中另其追求者和蔼可亲又雍容大度的科学事业。这种心情最终令我迈出了大胆而简单的一步，那就是写信给戴维爵士，表达我的心愿，希望如果他那里有一个可以给我的机会，他会看好我。我同时寄上我听他的讲座后所做的笔记。法拉第的自信和热情给戴维留下了深刻的印象，于1813年初约见了他。当时研究院里面没有空缺的职位，戴维于是建议他继续做他的手艺活。然而那年的2月，一个实验室助理因为闹事而被辞退了。戴维随即将这个职位给了法拉第，并把他一个研究院的空闲房间，留给他住。最初那几天，他帮助做研究实验，几个星期过后，戴维已经对法拉第的工作非常放心了，。法拉第也为课堂实验的准备提供娴熟的技术性帮助。这项任务诱导他去品味讲课的艺术。在他的笔记本里他写道：一个讲课人的外表应该是轻松的、镇定的、不胆怯的以及沉着的。他应该胸有成竹，应该思路清晰地思考和描述它的主题。他的动作，主要指姿势的变化，应该是缓慢的，从容的，自然的。否则就难以避免形成僵硬或者死板的氛围。戴维的学识、仪表、平常果断的行事风格极大地促进了法拉第作为实验员的不断进步。1813年，戴维要开始一次相当长时间的欧洲之旅。尽管当时英格兰和法国正在交战，得益于戴维的声望和拿破仑对科学的尊重，戴维依然可以实施他的计划。他邀请法拉第以秘书和科学助理的身份与他们结伴同行。在这期间。戴维和当时众多著名学者，进行交流，法拉利也从中学到了很多。法拉第见识了戴维自然哲学的天赋和声誉，为他赢得欧洲科学界至高无上的地位。但是很遗憾，他也有机会察觉到，人们对他的伟大主人的理所应当的崇拜也许已经导致他个人品质某种程度的退化。戴维超凡的卓越，已经令他有些自负和轻率。对于法拉第来说，这一次的长时间访问，既有欧洲首屈一指的科学家戴维做旅途导师，又持续不断地吸收法国和意大利的工作经验，这一切实际上构成了他的大学教育。1816年，他和戴维合作，发明了安全矿灯；1818年至1824年，基于对印度乌兹钢的研究，他基本懂得了合金钢的制备和性质，他和外科器械制造商斯图尔特一起开始了他在合金钢的组分和制备领域的开创性工作。在1812年至1830年期间，他也在进行了分析化学的工作，他确定了粘土、原生石灰、水、火药铁锈、鱼干、各种气体、液体和固体的纯度和组分。1820到1826年他系统的研究了有机化学。读了奥斯特1820年发表的描述“当一个罗盘指标靠近通有电流的导线时将如何受到影响”的著名论文，并且写下了权威性历史调查——截止1821年人们所知晓的磁和电相关知识的综述，法拉第在同年9月演示了一条通有电流的导线围绕一块固定的磁铁旋转。他的调查本身就不是一件简单的工作。在他之前许多基本现象已经被发现了，比如电和磁的相互吸引和排斥，电流及其各种效应。之后，又有库仑和泊松沿着牛顿所引导的路线，以物体之间的相互作用力作为他们研究的主要目标，建立了电力和磁力的数学理论。接着又有奥斯特的最重要的发现，随后安培发现了两条通电的导线相互吸引。可见，当法拉第第一次踏入这个领域时，电——磁科学已经非常庞大。然而他的发现还是轰动性的，很快为他赢得了国际声誉。这个新发现的电磁旋转现象（利用此性质，他发明了第一个电动马达）也可能发生于地球的磁场。他在1821年12月5日向他的妻子激动地演示了这个事实。

法拉第因此获得了巨大名声，并且很不幸、也不公平，给戴维留下这样一种印象——他剽窃了沃拉斯顿有关电磁旋转的想法。这一切，导致了他和戴维之间滋生了不快。沃拉斯顿和戴维较早时曾经讨论了如何最好地实现电磁旋转。当时法拉第也在场。但是，他追寻了自己的思路，并获得了一个和沃拉斯顿所看好的相当不同的解决方案。在皇家学会一个公开讨论会上，当沃拉斯顿的好友戴维映射法拉第的突破实际上源于沃拉斯顿时，他感到非常伤心。戴维事后声称，人们错误报道了他的原意。法拉第事后也认识到，他本应该在发表前让沃拉斯顿看他的论文。事实上，他已经尽力想这么做了。但当时沃拉斯顿“不在城里”，而法拉第想发表的急切心情一如既往地非常强烈。不过，法拉第公开地感谢了沃拉斯顿的贡献，从而缓解了沃拉斯顿内心的愤怒。

1823年法拉第发现和分析了第一个有记录的气态水合物——一种现在被称为包合物的材料，得其名是因为客体分子被埋藏在主体接纳分子结晶水中。也是在那一年，法拉第液化了氯。这个成就曾经激起戴维的妒忌。他认为是他首先做了这项工作，并有权享有盛誉。在1823年间和1845年的一段时间，法拉第重新回到气体液化的研究中，成功的液化了氨、二氧化碳，二氧化硫、一氧化二氮、氯化氢、硫化氢，氰气和乙烯。他也成了确证临界温度存在的第一人。他发现，在某温度以上，无论多高的压力都不会导致某种气体液化。这项成果也否认了当时盛行的错误、僵化的观点，即物质处于稳定不变的三种形态，固态、液态和气态。法拉第演示了物质的连续性，即三种形态可以从一种转变为另一种。

1824年,尽管遭到当时的主席戴维的反对，皇家学会仍然选举他为院士。戴维这么做的理由不是非常清楚，但是嫉妒的成分是无可置疑的。那年的2月法拉第被任命为新成立的伦敦俱乐部“雅典娜”的第一任秘书。戴维和克罗克在该俱乐部的成立上倾注了很大的心血，俱乐部的宗旨是“为文学界和科学界的男士及美术爱好者服务”。他坐上这个交易完全有可能是由于戴维的强迫。法拉利无疑因为“雅典娜”俱乐部的各种事情干扰了他的其他工作，在三个月后辞去了这个秘书的职务。由于戴维因皇家学会主席的工作需要和健康原因而逐渐淡出皇家研究院的活动，一个新的“法老王”在皇家研究院崛起。法法拉第已经开始为研究院会员上课，他的谦虚和魅力很快赢得众人之心。

1825年，法拉第在化学教授布兰德的监督下成为实验室主任。在那一年，他发现了重要的有机物质“重碳化氢”。这一化学物质后被命名为苯。法拉第的哥哥罗伯特在伦敦煤气公司工作，在其送来研究所的煤气罐底部，法拉第发现了一种透明的芳香液体。他对此产生了兴趣，并进行了研究。这种液体最终被证明是苯。这种物质很快就被法拉第用一种包括热处理鱼油的独立方法制备出来。此后不久，他发现了异丁烯，一种与乙烯具有相同碳氢比的物质。他意识到了，他遇到了分子异构现象，尽管当时并没有这样的说法。他后来又确定了萘的化学式，并制备了该物质的两种结晶磺酸衍生物。所有这一切都是开拓性的工作，开辟了苯胺染料工业和其他一些工业化学以及炸药农业的发展路径。现在我们知道苯和萘是平面分子，是一个名为芳香族烃的庞大化合物的最初成员。这种分子，特别是苯，除了充当燃料外，还是现代制药工业中的重要构建部分。它们现在被广泛用于合成有用的化合物。

也是在1825年，政府通过由学会主席戴维主持的皇家学会委员会遴选法拉第来领导一个持续至1830年的项目——改进玻璃的光学性能（为了满足望远镜的需要）。这项研究使他与托马斯.杨建立了频繁的联系。法拉第以此项研究为题，于1829年11月19日，12月3日和12月10日分三次在皇家学会做了首次贝克讲座。尽管戴维早在1812年就辞去了在皇家研究院的永久职位，他的荣誉职位表明他依然可以在那里发挥影响。这种影响力大部分对法拉第是有益的。但是自从戴维和法拉第的关系变冷淡以后，法拉第越来越意识到多数落到他头上的工作都是来自戴维的指使，甚至命令。对于社会任职，比如戴维督促他担任的“雅典娜”俱乐部秘书一职，他可以辞职而免除处罚。但是它不能轻易地从“改进玻璃的光学性能”这个项目所要求的单调乏味的、绝对耗费时间的工作中解脱出来。他想要探索新的领域，但是只要他还在这发起这个项目的皇家学会委员会监督的眼皮底下，那是不可能的。1829年戴维的去世以及托马斯.杨的去世实实在在地缓解了法拉第日益滋长的对自己前途的焦虑。  

1826年间，法拉第在科学的普及和大众对科学的理解方面开始了两个异常成功的大胆尝试：面向青少年听众的圣诞节讲座和面向皇家研究院会员以及他们所邀客人的周五之夜讲演会。第一个圣诞节讲座系列的主题是自然哲学，由米灵顿主讲。周五之夜讲演会开始于1826，法拉第演讲的最初五堂讲座的目录是：2月3日，树胶。2月10日，布鲁内尔先生在液化气用作机械用剂方面的研究。3月3日，平版印刷。4月7日，在任何温度下，所以的固体和液体都会释放气体或者说被他们自己的蒸汽所包围。5月5日，碳氢化合物和硫酸合并的奇异能力。选题广泛的周五之夜讲演会延续至今。不仅要为这些向大众宣讲科学的活动进行必需的准备，法拉第在那年还发表了16篇文章，其中一篇的题目既有意思又实在——“有关化学演讲和实验示范的长期和实用的课程计划”。课程计划由布兰德和法拉第在皇家研究院的实验室讲授。1827年伦敦大学学院邀请法拉第做学校的第一个化学教授，被法拉第拒绝了。

电磁感应现象是在1831年8月29日被发现的，这是法拉第的最重大发现。很快这个发现为人们带来了发电机和变压器。这个日子现在被公认为电力工业的诞生日。当时他已经读了奥斯特1820年具有划时代意义的论文，论文描述了一枚指针如何因放置在一根通电导线上而产生偏转。这项工作首次确证了电磁场的真实性。同一年他还得知安培的发现，即两根通有电流的导线也会相互产生作用力。这个现象令安培猜测，磁场实际上可归因于电荷的流动，自那以后法拉第开始思考电和磁的关系。在1821年，法拉第的电磁旋转实验曾经激怒了沃拉斯顿和戴维。此实验背后所蕴含的设计理念便来自于他对1821年4月以前的电磁学进展的调查。在1822年的笔记本中，法拉第写道：磁转换成电。经过一段时间其他工作的紧张忙碌以后，他从1831年8月重新继续这项工作。从1831年8月至11月的大约4个星期内，法拉第花了10天阐明了他的电磁感应定律：一个闭合电路可以通过改变磁场产生电流，从而奠定了现代电力工业的基础。在反对超距作用的这个背景下，法拉第提出了场的概念，在磁体和通有电流的导线周围的空间存在着一个场。他在一张薄纸放上一块条状磁铁上，借助于洒在薄纸上的铁粉，法拉第演示了他设想的力线的存在。此后的20年，他在数篇论文和周五之夜演讲中上逐渐完善他的立宪的想法。1832年1月至1834年12月是法拉第异常忙碌的时期，在这短短的时间内，他发表20篇原始论文；做了17次周五之夜演讲，还有六堂与化学为主题的圣诞节讲座。

回顾法拉第的一生，从最初的听差童到后来的科学巨擘，法拉第的一生充满了传奇，激励着后人们朝着科学自信的走去，他留下的宝贵的财富我们一生受用。