焦耳的故事

謝江濤

焦耳和焦耳定律

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（1818年12月24日～1889年10月11日）英國物理學家。1818年12月24日生于索爾福。他父親是釀酒廠的廠主。焦耳從小體弱不能上學，在家跟父親學釀酒，并利用空閑時間自學化學、物理。他很喜歡電學和磁學，對實驗特別感興趣。

青年時期，在別人的介紹下，焦耳認識了著名的化學家道爾頓。道爾頓給予了焦耳熱情的教導。焦耳向他虛心的學習了數學、哲學和化學，這些知識為焦耳后來的研究奠定了理論基礎。而且道爾頓教會了焦耳理論與實踐相結合的科研方法，激發了焦耳對化學和物理的興趣，并在他的鼓勵下決心從事科學研究工作。后來成為英國曼徹斯特的一位釀酒師和業余科學家。焦耳可以說是一位靠自學成才的杰出的科學家。

焦耳最早的工作是電學和磁學方面的研究，后轉向對功熱轉化的實驗研究。1840年，焦耳把環形線圈放入裝水的試管內，測量不同電流強度和電阻時的水溫。12月，焦耳在英國皇家學會上宣讀了關于電流生熱的論文，提出電流通過導體產生熱量，通電導體所發出的熱量與電流強度、導體電阻和通電時間的關系，此即焦耳定律。由于不久之后，俄國物理學家楞次也獨立發現了同樣的定律，該定律也稱為焦耳-楞次定律。

1866年，由于在熱學、電學和熱力學方面的貢獻，焦耳被授予英國皇家學會柯普萊金質獎章。由于他在熱學、熱力學和電方面的貢獻，皇家學會授予他最高榮譽的科普利獎章（CopleyMedal）。后人為了紀念他，把能量或功的單位命名為“焦耳”，簡稱“焦”，并用焦耳姓氏的第一個字母“J”來標記熱量。

焦耳的趣聞軼事

精確的測量值在幾十年里不作大修正

焦耳是一位主要靠自學成才的科學家，他對物理學作出重要貢獻的過程不是一帆風順的。1843年8月，在考爾克的一次學術報告會上，焦耳作了題為《論磁電的熱效應和熱的機械值》的報告。他在報告中提出熱量與機械功之間存在著恒定的比例關系，并測得熱功當量值為1千卡熱量，相當于460千克米的機械功。這一結論遭到當時許多物理學家的反對。

為了證明這個發現是成功的，焦耳以極大的毅力，采用不同的方法，長時間地反復進行實驗。1843年末，焦耳通過摩擦作用測得熱功當量是424.9千克米/千卡1千克米=9.8焦耳。1844年，焦耳通過對壓縮空氣做功和空氣溫度升高的關系的實驗，測得熱功當量是443.8千克米/千卡。尤其在1847年，焦耳精心地設計了一個著名的熱功當量測定裝置，也就是用下降重物帶動葉槳旋轉的方法，攪拌水或其他液體產生熱量。焦耳用水和鯨油做攪拌液，分別測量，然后取平均值，得到熱功當量平均值是428.9千克米/千卡。1849年6月21日，焦耳給英國倫敦皇家學會報告了這個結果。從1849到1878年，焦耳反復做了四百多次實驗，所得的熱功當量值幾乎都是423.9千克米/千卡，這和現在公認值427千克米/千卡相比，只小0.7%。焦耳用驚人的耐心和巧奪天工的技術，在當時的實驗條件下，測得的熱功當量值能夠在幾十年時間里不作比較大的修正，這在物理學史上也是空前的。難怪威廉·湯姆孫稱贊說：“焦耳具有從觀察到的極細微的效應中作出重大結論的膽識，具有從實驗中逼出精度來的高度技巧，充分得到人們的賞識和欽佩。”

堅持不懈終將獲得公認

在1845年劍橋召開的英國科學協會學術會議上，焦耳又一次作了熱功當量的研究報告，宣布熱是一種能量形式，各種形式的能量可以互相轉化。但是焦耳的觀點遭到與會者的否定，英國倫敦皇家學會拒絕發表他的論文。1847年4月，焦耳在曼徹斯特作了一次通俗講演，充分地闡述了能量守恒原理，但是地方報紙不理睬，在進行了長時間的交涉之后，才有一家報紙勉強發表了這次講演。同年6月，在英國科學協會的牛津會議上，焦耳再一次提出熱功當量的研究報告，宣傳自己的新思想。會議主席只準許他作簡要的介紹。只是由于威廉·湯姆孫在焦耳報告結束后作了即席發言，他的新思想才引起與會者的重視。直到1850年，焦耳的科學結論才終于獲得了科學界的公認。

要科學，不要永動機

焦耳在探索科學真理的道路上，也走過彎路。他年輕的時候，正是“永動機熱”席卷歐洲的時代，許多人鉆進了永動機的迷宮，妄想制造出一種不消耗能量永遠做功的機器。焦耳也是個“永動機迷”，曾經狂熱地追求過永動機，幾乎消磨了他全部的業余時間。他通宵達旦地冥思苦索、設計方案、制作機件，但是沒有一個是成功的。失敗引起了焦耳的深思，為什么乍一看設計上幾乎無懈可擊的機器，做出來卻總是一堆廢物？焦耳沒有像有些人那樣，明明進入了迷宮，還以為走進了科學的殿堂，碰了壁也不回頭。他吸取教訓，迷途知返，毅然退出了幻想的迷宮，轉向腳踏實地的科學研究，探求隱藏在失敗背后的科學真諦。經過勤奮實踐，他終于找到了熱功當量，為建立能量守恒定律作出了杰出的貢獻。這個定律好比一塊路標，插在尋找永動機的十字路口，警告迷途人：此路不通！據說焦耳還現身說法，語重心長地告誡那些仍舊迷戀永動機的人說：“不要永動機，要科學！”

人教版物理八年級下冊第八章《電功率》課外延伸閱讀