生活里的创意|单单一个字母e,却在自然界有多种身份( 二 )
电子被以为在宇宙大爆炸的最初几秒就已经登场 , 并扮演着重要角色;如今 , 它们应用在生活的各个方面 。 这些微小的粒子带着宇宙最初的信息 , 引领着现代科技的提高 。
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元电荷
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e还可以代表一个物理常量 , 它(有时也表示为qe)等同于一个质子携带的电量 , 被称为元电荷 。
20世纪初 , 物理学家罗伯特·密立根和哈维·弗莱彻利用油滴实验最早测定出了元电荷的电荷量大小 。 简朴来说 , 他们在电容器的两个平行的金属表面引入一滴带电的微小油滴 , 随后在施加感应电场的情况下 , 让液滴悬浮并处于平衡状态 , 也就是让电场力和重力平衡 。 利用已知电场可以确定油滴的电荷 。 在多次试验中 , 电荷都是1.592×1019 C的整数倍 , 因此密立根以为 , 这个基数值就是元电荷 。 元电荷的数值后经由不断校准 , 根据2019年国际单位制基本单位重新定义 , 最新的元电荷精确数值是1.602176634×1019 C 。
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电场
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在物理学中 , 场是一种非常常见的物理量 。 19世纪 , 迈克尔·法拉第最早揭开了电磁的秘密 。 他用线表示电荷在空间中的受到的(电场)力 , 画出了这种力的空间分布 , 电场图就这样诞生了 。
随后 , 詹姆斯·麦克斯韦的数学表达又让人们又意识到 , 场不仅仅是一种描述工具 , 它固然看不见、摸不着 , 却真实存在于时空之中 , 像一双无形的“手” , 与四周的物体发生着作用 。 电场(还有磁场)是四大基本力之一的电磁力的表现形式 , 电场可以通过电荷或磁场变化产生 , 高斯定理将电荷的分布与电场的产生联系在一起 , 而法拉第电磁感应定律则可以描述电场和磁场的变化关系 。
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能量
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【生活里的创意|单单一个字母e,却在自然界有多种身份】在物理学中 , E还可以衡量物体做功的能力 , 它代表的就是能量 。 能量有各种不同的形式 , 衡量移动的物体可以用动能 , 储存在场中的能量是势能 , 燃烧的物体可以开释化学能……
17到18世纪 , 在经典物理学体系中 , 很多闻名科学家都已经熟悉到机械能之间可以相互转化 。 对能量熟悉的一个重要突破来自19世纪 。 19世纪中叶起 , 詹姆斯·焦耳先开始研究电流的热效应 , 这为揭示各类能量的等价性和能量守恒定律奠定了基础 。 随后 , 焦耳利用更精密的焦耳装置进行了一系列实验 , 表明物体重力势能的减少即是通过摩擦而获得的内能的增加 , 并提出热功当量的概念 。 在这个过程中 , 人们逐渐建立起了一种对能量的枢纽熟悉——机械能与热能可以相互转化 , 而能量不会凭空产生 , 也不会消失 , 它只能从一种形式变成另一种形式 , 它遵循能量守恒定律 。
进入20世纪后 , 对能量的熟悉的另一次奔腾来自爱因斯坦 。 1905年 , 爱因斯坦在提出物体的等价能量可以由质量和光速(~3×108 m/s)计算得出 , 这揭示出了质量与能量的本质 , 它就是闻名的质能方程:E = mc2 。
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