实验物理高手自学成才典范

曾铁

摘要：19世纪英国实验物理学家查尔斯·惠斯通是大学物理学、电工学和中学物理等教学中涉及的人物.回顾惠斯通往事，了解其人其事有助于中学物理教学，为此，文章简要介绍了腼腆、不善言辞的惠斯通之生平，展示了惠斯通对物理学、电工学及其发展的主要贡献.由本文胪列的声学、电磁学、光学等方面的研究业绩可知，惠斯通是一个科学研究多面手.事实表明，查·惠斯通是实验物理高手，又是自学成才的典范.

关键词：英国实验物理学家；查·惠斯通

1查尔斯·惠斯通爵士生平简说

11查·惠斯通生平

英国伦敦国王学院自然哲学教授、实验物理学家查·惠斯通（1802—1875）生于英国的格罗斯特，故于法国巴黎[1].惠斯通出生于乐器制造和音乐作品出版之家，14岁时他到伦敦其叔叔（乐器制造商）家当徒工，学习乐器制造技术.1823年，他自己在伦敦开办弦乐器制造厂，同时做声振动的实验研究.惠斯通善于学习、思考和钻研，通过自学迈入了科学殿堂，做乐器制造师期间便取得了一些科技成就.惠斯通兴趣广泛，动手能力强，富有且多产.他未受过高等教育和正规的科学教育，惠斯通的成功，是其自学、执着追求和刻苦研究之结果.惠斯通通晓科学史，研究领域广泛，是自然科学家里为数不多的自学成才的代表.查·惠斯通在一所私立学校接受初等教育，他爱学习，在法语竞赛中获得过奖励.15岁时，惠斯通翻译过一些法文诗，并学习拉丁文、希腊语等；他偏爱数学、物理等学科.惠斯通自幼在艺术方面表现优异，8岁通晓许多乐器，15岁时已谱写歌曲.当家人认为他会成为艺术家时，他却转换了兴趣，投身到科研中，其主因是他厌倦物体的外在表现形式，想探究物体内在的运动规律.高级技师、发明家查·惠斯通戴着眼镜，具有儒雅的外表和绅士风度，是个腼腆、不善言辞的人，他有偏头痛病，晚年才结婚.惠斯通羞涩胆小、害怕在众人面前讲话（1846年的一个晚上，惠斯通受邀在英国皇家学会做报告.他做了精心准备，并早早到达会场.当他看到会场里坐满了听众，报告开始前他竟紧张地临阵逃脱了.皇家学会只好临时请英国物理学家M·法拉第做关于光之本质的演讲以救场）.受职业背景的影响，惠斯通早期的科研集中在声学、光学领域，并在这些领域做出了一些发明，写了一些有价值的论文.其声学研究和部分论文被译成法文、德文后，惠斯通成了当时科学界颇有影响的人物.1834年，他被任命为伦敦大学国王学院实验哲学教授（实验物理学教授），开设声学讲座等.惠斯通在国王学院讲过一些声学课，但他常怀疑自己的说话能力并造成了心理障碍（在英国皇家科学院的一次演讲中，他在讲台上活生生地宰了一只猫，使台下的科学家等争先恐后、夺门而逃），结果他无法从事正常的教学.如是，他停止了讲课，但国王学院仍聘他為教授.

12查·惠斯通获得的荣誉

惠斯通早年的志趣在声学和乐器制造上，后来研究面广了，其特点是好细琢磨，研究有毅力.他对电录音装置、发电机、电报机等做过系列研究，并取得较多成果，如极钟（一种由阳光偏振角确定太阳位置的仪器），现仍用于观察X射线和航空照相等的观察立体图象之体视镜，普莱费尔密码等，还设计过电钟.由于拥有很多的科技成就，惠斯通在业内和社会上颇有知名度.1836年，他当选为英国皇家学会会员；1837年，当选为法国科学院外籍院士.1862年，他获得牛津大学民法博士学位，1864年，又获剑桥大学法学博士学位.1868年，英王封其为爵士等.惠斯通一生从事科学研究、成果颇多，获得的勋章、奖章、荣誉约有40种.基于纪念、缅怀查·惠斯通，在物理学、电工学里有一些以其名命名的术语，如惠斯通弱视镜、惠斯通实体镜、惠斯通放大器、惠斯通电桥、惠斯通标准电池以及测量溶液电解电导率的惠斯通法等；伦敦大学国王学院还设有“惠斯通实验物理学教授”之职.

2查·惠斯通教授科研成果简介

惠斯通发明了万声筒、分光镜、变阻器、测光表，自动记录气象仪，陀螺仪等，首开测量电流速度实验之先河.惠斯通的实验设计思想、实验技能均高超、独到，在实验领域为物理学、电工学及发展做出过贡献.惠斯通主要研究工作在声学、电学、光学与电工技术方面，许多成果是通过其好友M·法拉第提交、公布或演示、介绍的；发现电流磁效应的丹麦物理学家H·C·奥斯特也是其好友.

21声学研究

惠斯通是音响专家，为弄明白音调、音色等问题，他对声学产生了浓厚兴趣，做了一些声音传播和振动的实验.1821年，惠斯通公开演示了由一根直金属丝传递远处钢琴的振动使里拉（一种七弦竖琴）发声的现象.根据1800年英国物理学家托.杨的实验：将一根钢琴弦用银线包上，它被击打后再用光照在其上，此效果是银线的作用犹如振动的镜子（托.杨写道：“闪光点会像旋转燃烧的煤炭一样勾画出线路”），并受英、法当时流行的万花筒之启发，惠斯通将声音、光、音乐和镜子综合起来思考、研究.1826年，他发明了万花图象器（声音万花筒），借助视觉记忆的持续性，利用此装置能演示、看见不同振动模式产生的复杂的振动曲线.它用一垂直固定在木座上的振动金属棒可将反射的光线变得多样化，用音锤击打该棒，由于棒顶端附有镀银的玻璃珠，在阳光下或灯光、蜡烛光下，该棒发出低沉声音之时，又反射明亮、迅速移动的光线.惠斯通说：“以不同的力度击打金属棒的不同部位，就可产生非常复杂和美丽的曲线形状.1829年，他发明六角手风琴（一种象手风琴似的小乐器）.1832年，又用一根管子成功演示了驻波现象.1833年，惠斯通在方形平板上演示了不同振动模式的叠加现象；1837年，通过实验他确认音色决定于泛音的相对强度.”惠斯通还用实验验证了吹奏乐器空气振动问题中的伯努利原理等.

22光学研究

221电火花光谱研究

1835年，惠斯通研究电火花光谱问题，得出该光谱取决于金属电极材料，它与电火花通过的气体没有关系.他用不同金属电极的电火花做光源，发现不同金属有不同的谱线，可作为各自的特征，他的实验证实用金属的火花放电光谱可鉴别各种金属，其工作是德国物理学家G·R·基尔霍夫（1824—1887）光谱分析与热辐射研究的先声.endprint

2223D技术的开端——立体成像装置

惠斯通基于双筒视觉、反射式立体镜等研究，阐述了视觉可靠性的根源问题；正确阐述了人眼视觉、色觉等生理光学问题.3D技术（立体成象）最早可追溯到19世纪，惠斯通发明第一幅立体画，将一组镜子做复杂的排列，就可得到具有三维效果的图像.用镜子做实验时，惠斯通发现了立体视觉原理[2]；1838年，惠斯通发明了反射式立体镜（体视镜），其原理是置于双眼前的两面直接相交的平面镜以其反射光将左、右侧呈现的两张图片分别映入人的左、右眼，从而产生双眼立体视觉.体视镜是最早可观看立体图像的设备，它外观庞大但是有效，夹角为45°或90°的两块反射镜和摆在其两侧的图片，当人们从正面直视反射镜时，双眼看到的同一物体成像是不同的，从而产生三维的视觉感受，由此开启了人们的3D视觉体验.探究人眼的视差问题时，惠斯通察觉到，知觉停留在大脑的某个地方，深度知觉是依靠大脑将两个不同的景像结合在一起而形成的.他思考：“如不是将物体本身，而是将物体投放到一个平面上的图像（如眼睛所看到的那样）同时地展示给每只眼睛，那样的视觉效果将会是什么样呢？”为此，惠斯通用铁丝做成立方体、角锥体和其他形状，把其放在眼附近，先闭上一只眼睛，画下此刻看到的物体图像；再闭上另一只眼睛，将这时看到的图像再画下来.经过多次实验，他研制出上述的体视镜（将两面镜子面朝外呈直角形，角对着两眼之间，两幅图像固定在两边的视板上，观看时眼睛、大脑就会将这两幅图像形构成一个物体的立体幻觉图像）.

惠斯通发表论文，公布了其发明的能观察立体图像的体视镜（反射投影放大器），其用途可“揭示一些美丽的、以前从未注意到的双目镜视觉现象”（英国物理学家、万花筒发明人D·布鲁斯特对惠斯通体视镜的发明权强烈质疑，为此二者不和）.1839年，法国人发明家路·雅·曼·达盖尔公布了其实用摄影术（达盖尔银版法；达盖尔摄影法）.惠斯通意识到照相机可摄下体视镜图像，他的体視镜用途会更大.于是，他委托几个摄影师改进其体视镜以利于摄影，但未成功.后来，惠斯通利用双眼视差形成立体视觉之法与仿生学原理，用两台照相机模拟左、右眼晴分别拍摄两幅照片，然后用左、右眼分别通过两个互相独立的目镜观察这两幅照片，于是大脑中就可再现与真实景物完全相同的立体影像.1852年，惠斯通发明幻觉镜，它反射的光可让右眼看到左眼正常情况下所看到的东西，反之亦然；幻觉镜可把透视图像倒映在人的眼睛中.他说“用这个幻觉镜，我们可看到另一个可视的世界.”用它可看到的光学幻觉有：茶杯的内侧变成了向外的凸形，墙前面的物体似乎镶嵌在墙内等.

23电磁学研究

231惠斯通电桥

“惠斯通电桥”是使惠斯通名满天下的一种物理仪器，基于让若干电流互相平衡的办法，该电桥可精确测出电路中的电阻值，它适宜测中等阻值电阻.惠斯通非此电桥的发明者，1833年，英国学者S·H·克里斯蒂研究导体性质时提出了一个直流电桥电路.1843年，基于克里斯蒂教授的这一构想，惠斯通完善、制成了“惠斯通电桥”（单臂电桥如图1所示），并第一个用它测量电阻，用于电报试验和电工测量等.这个经典的直流电桥主要用于测量10欧到几万欧的电阻，它是惠斯通成为物理学界、电工学界和物理教学界名人的主因和重要基础.

232旋转平面镜法测电流的传播速度

惠斯通对光、磁场和电现象均做过一些实验研究，他研究电学问题有许多独特之法与见解.1834年，他提出了用旋转平面镜法研究快速运动的思想，并将该方法应用于测定导线中电流（电磁波）的传播速度.惠斯通利用旋转平面镜法巧妙测定了电流在金属导体中的速率，他的方法之特点是：用转速这个数值较大的量代替数值很小的时间间隔，其实验思想、装置主要有：在一根铜导线上安装三个放电火花束，相邻火花隙之间的距离大约是402米，当导线通以电流时，相邻火花隙就依次产生火花放电，用旋转平面镜观察相邻火花隙产生火花的时间间隔；由它们之间的距离和时间间隔就能求得电的传播速度.通过多次、精心的实验，惠斯通估算出电的传播速度大于4.02×108米/秒，此数值误差较大，但它是人类用实验手段测量出的第一个电传播速度值.该实验的要义为后人提供了一种可行的测量快速运动之思路，对测定光速它具有示范性、先导性.1838年，法国物理学家阿拉果受惠斯通实验及思想的启发，用旋转镜法设计了一个比较光在空气和水中的传播速度之实验；1849年，德国物理学家菲索根据旋转镜法，设计了用旋转齿轮法测定光速的实验，并首次在实验室条件下测定了光速.1850年，法国物理学家傅科（1819—1868）依据旋转镜法思想，设计、完成了比较光在空气和在水中传播速度的实验，其结果为光的波动理论提供了有力支持.19世纪与20世纪初，效果较好的测光速的大多数实验都采用了旋转镜法；1923年，美国物理学家迈克尔逊完成著名的光速测定实验.

233研制新型发电机

1841年，惠斯通致力改进发电机，他在发电机中使用电磁铁，制造出永磁发电机；1856年，开发出感应发电机，用于工程引爆和为电报机供电等.1867年，他和德国E·W·西门子等人分别独立地提出自激发电机原理，惠斯通采用并激励磁方法，发明自激式发电机.这台自激式发电机的电磁铁用伏打电池励磁（本质上虽非纯粹的自激，而是它激），但它为发展直流电机、制造大容量发电机开辟了道路.

24研制实用的有线电报机并用于长途通讯

241合作研制五针式电报机

19世纪30年代，惠斯通开始研制有线电报机.当时，电报机及其理论已有雏形，欧洲有许多人在研制实用化的电报装置.电磁电报机的主要发明人是俄国外交官巴·希林，1832年，希林依据通电导线附近的磁针会偏转这一现象，设计出磁针式电报机，它借助电流的强、弱使磁针偏转不同的角度，再用磁针偏转的角度代表不同的字母，这样就可传达信息.希林研制出了第一台电磁式单针电报机，还发明了一套电报电码.为使电报机能实用，希林建议俄国政府设立电报试验线路.1837年，俄国沙皇指定设立一个专门委员会，按照希林的建议，在圣彼得堡和皇宫之间设立电报线路，以便沙皇外出游玩时也能处理公务，这是世上第一条地下电报电缆线路（遗憾的是希林在这条电报线路铺设前去世了）.1837年，希林到英国公干，英国科学界对其发明的针式电报机颇有兴趣，便请他演讲.希林的演说很成功，惠斯通是听众之一，他悟出了磁针式电报机蕴藏的商机.惠斯通研究声学时，推测借助机器声音可长距离传播，他精通声学，研究电报机一开始他走了弯路，思索、研究如何有效地传送声音，几年来他均屡次失败.希林演讲时演示了其磁针电报机，惠斯通这才如醍醐灌顶，之后，他探究声音远距离传递之法电学成为其核心与基础.希林不久染病去世，完善实用电报机的工作便转到了惠斯通.经研究惠斯通掌握了希林电报机的工作机理，进而他作了改进，并拟订了数个试验计划，从伦敦铺设一条电报线到伯明翰乃其一，只是他的研究因诸多因素陷入了困境.endprint

研究电报机的过程中，惠斯通曾访问、咨询过美国物理学家J·亨利.改进并使希林电报机投入实用的是惠斯登和库克.驻印度的英军军官威·福·库克回英国度假时，偶然看到展示中的一款试验型电报机，便意识到此物有巨大商机.库克当机立断，辞职回国.1836年3月，退役军官库克把一部希林电报机带回家乡.回国后，他着手改进这台机器，库克凭借自己的聪明和一些电磁学常识，开发出三针式电报机.不过，由于电学理论知识不足，他未能再上层楼.这样，他向科学界寻求合作者.他拜访了法拉第和罗热，后者知道惠斯通正在研究新型电报机，就把库克引荐给惠斯通.于是，库克登门请教惠斯通教授.两人一见如故，成为莫逆之交，在之后的几十年里并肩战斗、合作研制电报机等.依靠库克的活动能力和惠斯通的智慧，他们很快有了好结果，1837年6月，他俩研制出了比希林电报机先进的机器，这是一套电磁式电报系统，它使用五枚磁针，表盘上印着20个字母和10个数字，随着电报线里电流方向的变化，每根磁针均产生摇摆，最后会使它们停在一个数字上，字母则由两根磁针的指向确定.图2是惠斯通—库克五针电报机图片，其基本原理是闭合由电池、双向开关等构成的回路，利用通电线圈的电磁效应来管控磁针的偏转方向.五针电报机的五根磁针布列在一菱形状刻度盘的中心线上，刻盘上写有字母.发报者可控制其中任意两根磁针的偏转，通过排列、組合指向字母.由于几何学的限制，五针电报机只能传送20个英文字母（J、C、Q、U、X、Z没法表示）.

242助力侦破凶杀案，惠斯通/库克电报机声名鹊起

美国人S·F·B·莫尔斯是第一个实用电报机的发明者（电报之父），有线电报首次远距离商用的实验者则是惠斯登与库克.1837年7月25日，惠斯通、库克的电报试验主场在伦敦，其电报线长达24公里，位于休斯顿火车站到卡姆顿镇之间，在众多社会名流注视下，惠斯通在火车站售票处的小房里发了一条消息，几分种后获得库克回应.尽管什么话都没说，但人们感受到了从远处传来的情报.试验获得了成功，然而，它并没引起铁路当局的兴趣.为此，惠斯通有点失望，库克颇具商人头脑，他仍多方游说、不肯放弃.1839年，他们获得一位爵士的经费支持，促其继续试验、宣传.惠斯通等从英国帕丁顿车站到西德雷顿车站架设了一条长20公里的电报线，1941年又延伸到斯劳车站，总长约25公里，此时试验他们用的是两针式电报机.当时，伦敦人仅把电报机当成是科学奇迹的展示，投资的爵士也没什么信心，权当是资助科研.1845年，电报乏人关注的局面才戏剧性地发生转变.这一年的一天清晨，伦敦一位女性被发现死在自己房间里；借助连接斯劳车站、帕丁顿车站间的电报线，通过电报机发送的电讯，帕丁顿车站的警察掌握了犯罪嫌疑人的外貌讯息，他们很快锁定、拘捕了凶手达维尔[3].此次凶案的迅速侦破，电报快速传递的资讯乃要因，伦敦的许多大报，纷纷以醒目的标题，如神奇的远程通信仪器揪出了凶手；科学的胜利等，渲染、传输此次案件的告破.原本快黯然退场的五针电报机，因这次凶杀案的破解扭转了局面，引发公众重视、了解.惠斯通、库克的五针式电报，其特点是电文直接指向字母；经过多次改进其发报速度不断提高，它首先广泛地应用在铁路通信中，在伦敦、西德雷顿两地间通讯是其最早的实用.惠斯通、库克有线电报装置是第一种借助电流达成长途通讯的电子设备，它的应用形成了世上首个公共通讯网.从此，这样的通讯网络覆盖范围、通讯能力及其重要性年年在扩张.今天，我们的互联网、手机等以电力为驱动手段的通信方式，均得益于电报机的发明、使用.

243组建库克·惠斯通电报公司

五针式电报机属电子通讯设备，它是史上第一款具有实用价值的电磁式电报机.惠斯通是实用电报机发明家，他与库克注册的两种针式电报机的英国专利，使之收益高达30多万英镑.1846年，库克和惠斯登成立电报公司，大批生产商用电报机等.至此，电磁电报机已基本定型.库克·惠斯通电报公司促进了英国电报业发展，1837年到1852年，英国投入使用的电报线路有6400多英里（1839年，商用电报线在英国正式出现，如，“大西方铁路公司”设在两个车站间供通讯的电报线路；派丁顿、西德雷顿之间长13英里的电报线等）.

244研制其他电报机

1840年，惠斯登制造出ABC电报机，并负责制订了第一套横跨英吉利海峡的电报线路方案；次年，又发明第一台电报打字机.他发明了印刷电报机、单针电报机（1851年，“伦敦世博会”上英国展出了两针式电报机）等，并做海底电报实验.1857年，惠斯通又发明第一个有实用价值的自动发报装置，它采用连续的穿孔纸带记录莫尔斯电码；莫尔斯电（1）把强磁体放进泡沫船体后方挖好的小孔里固定.

（2）铜片从磁铁两侧穿过泡沫，但是不要与磁铁相互接触.

（3）用一点儿双面胶把9伏电池粘在船上.

（4）一个铜片与电池正极连接，另一个与负极连接，一艘磁流体推进船的模型（图14）就完成了.

（5）轻轻地把船放进食盐水里进行试验，尽量不要让水面发生波动（图15）

实验结果讨论：

在最初的几十秒里，可看到船缓慢地开始航行改变磁极或者电流的方向，可以改变模型船的航向.

参考文献：

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