名人故事：焦耳的科学研究

Posted 2023-04-25

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名人故事：焦耳的科学研究

焦耳（11～19）是英国人，11年12月24日出生在曼彻斯特市一家啤酒厂主的家庭里，从小就跟着爸爸酿酒，没有进过学校。然而焦耳天资聪明，喜欢读书，常常一边劳动一边认字，自学到不少知识。后来，他幸运地认识了着名化学家道尔顿教授，便常常到他那里请教。从此，焦耳对自然科学，特别是实验科学产生了浓厚的兴趣。

有一次，焦耳与哥哥一块找来一匹跛马，把电流通到马身上，马受到刺激便狂跳起来。焦耳记下电流的大小和马的狂跳程度，说这是用马来观察电击实验。还有一次，焦耳用火药枪发出的巨响做回声实验。为使响声更大些，他向枪膛中装了三倍的火药，结果枪口喷出的火焰把焦耳的眉毛都烧光了。

24岁时，焦耳开始对通电导体放热的问题进行深入的研究。他把父亲的一间房子改成实验室，一有空便钻到实验室里忙个不停。焦耳首先把电阻丝盘绕在玻璃管上，做成一个电热器。然后把电热器放入一个玻璃瓶中，瓶中装有已知质量的水。给电热器通电并开始计时，用鸟羽毛轻轻搅动水，使水温度均匀。从插在水中的温度计，可随时观察到水温的变化。同时用电流计测出电流的大小。焦耳把这种实验做了一次又一次，大量数据使焦耳发现：电流通过导体时产生的热量跟电流的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。

焦耳把这一实验规律写成论文《关于金属导体和电池在电解时放出的热》，并于141年发表在英国《哲学杂志》上。然而，论文并没有引起学术界的重视。因为在一些学者们看来，电与热的关系不能那么简单，况且焦耳只是一个酿酒师，又没有大学文凭。一年后，俄国彼德堡科学院院士楞次也做了电与热的实验，并得到与焦耳完全一致的结果。焦耳的论文才得到重视，后来人们把这个定律叫做焦耳定律。

外界的冷落与赞美都没有影响焦耳对真理的追求，他仍继续着自己的实验工作。在完成电流热效应的研究之后，焦耳又进行了功与热量的转化实验。焦耳认为，自然界的能量是不能消灭的.，消耗了机械能，总能得到相应的热能。因此，做功和传递热量之间一定存在着确定的数量关系。那么1卡的热量相当于多少焦耳的功呢？（今天，人们把这一换算关系叫做热功当量。）焦耳想用实验找到这一关系。为此，他精心设计了量热器，用不同方法进行实验探索。从143年起在近40年当中，焦耳做了400多次实验，终于得出了比较精确的热功当量值1卡＝4.1焦耳。这一数值与今天公认的热功当量值1卡＝4.1焦耳比较起来虽然小了些，但在当时的实验条件下却是件了不起的事。焦耳的热功当量值曾保持了30年没有变化，这在物理学史上是极为罕见的。

焦耳准确地测定热功当量，以无可辩驳的事实进一步证明了能的转化和守恒定律是客观真理。这一定律的确定，在理论上，不仅对自然科学的发展提供了一个坚实的理论基础，而且也为建立辩证唯物主义提供了有力的科学依据。在实践上，它给制造“永动机”的幻想做了“不能实现”的最后判决。总之，它使我们在扑朔迷离、千姿百态的物理现象中，不再无所适从，为人类认识自然、改造自然提供了强有力的武器。

为了纪念这位物理学家的伟大业绩，物理学将功的单位命名为焦耳。