上期我們講述了三個入門級的公式，今天我們稍作拓展，帶你領(lǐng)略物理學(xué)的美。

4.牛頓第二定律F=ma（F為物體所受合力，m為物體質(zhì)量，a為加速度）。提出者：艾薩克·牛頓。

牛頓第二定律

該公式由艾薩克·牛頓在1687年發(fā)表的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中提出，和牛頓第一、第三定律共同奠定了經(jīng)典力學(xué)的根基。

《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》

人類對運(yùn)動的本質(zhì)的思考早在2300年以前就形成了理論，著名的古希臘先哲亞里士多德就提出：必須有一個恒定的力作用在物體上，物體才能夠持續(xù)的運(yùn)動下去，沒有力的作用，物體就要靜止下來。

亞里士多德

在他看來，力既是引起物體運(yùn)動的原因，又是維持物體持續(xù)運(yùn)動的原因。他還認(rèn)為，物體越重，下落就越快。這些錯誤理論被人們信奉為真理長達(dá)1800年，直到1589年意大利科學(xué)家伽利略在比薩斜塔同時扔下了一個100磅的大球和一個1磅的小球，兩者同時落地。

比薩斜塔實(shí)驗(yàn)

后來厲害的伽哥又做了理想斜面實(shí)驗(yàn)，得出力并不是維持物體運(yùn)動的原因的結(jié)論，在慣性的作用下，物體不受任何外力也能永遠(yuǎn)運(yùn)動下去，力只是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因。

理想斜面實(shí)驗(yàn)

最可惜的就是伽哥比牛哥早生了100年，那時候的人們還太愚昧，宗教神權(quán)影響太大，對他提出的真理不僅不接受，反而打擊，伽哥就這么被教皇囚禁了9年直到去世，著作、理論也不許傳播。不然，我絕對相信物理課本上的牛頓三定律會被伽利略三定律取代。

伽利略被教皇烏爾班判處終生監(jiān)禁

現(xiàn)在明白為什么牛頓說自己只是站在巨人的肩膀上了吧？伽利略確實(shí)為他的三定律做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。這個時候萬事俱備，只差臨門一腳，牛頓三定律就可以誕生了。

生活中你肯定見過大卡車，馬力大的重卡能拉幾十噸，馬力小的貨車只能拉幾噸；平時搬東西，重的箱子搬不動，輕的箱子一搬就動；胖子瘦子打架，被撞飛的總是瘦子。如何用一個理論完美的解釋呢？牛頓的貢獻(xiàn)就在于此，他創(chuàng)造了“力”的概念并量化了它。

七個基本物理量

七個人為定義的基本物理量并不包括力，在此之前物理學(xué)家們就定義m/s表示運(yùn)動的快慢，m/s2表示速度變化的快慢。牛頓將其與質(zhì)量Kg結(jié)合在一起，定義引起物體運(yùn)動變化的因素為力，符號為F，數(shù)值為物體質(zhì)量與速度變化快慢的乘積，即F=ma,單位為Kg·m/s2，簡稱N。

Kg·m/s2，簡稱N

至此現(xiàn)代經(jīng)典物理學(xué)的地基就打好了。物理學(xué)家們在這塊堅實(shí)的地基上辛勤勞作，一座包含重力、彈力、摩擦力、靜電力、磁場力、壓強(qiáng)、場強(qiáng)、直線運(yùn)動、圓周運(yùn)動、拋物線運(yùn)動、功率、動量、沖量等等等等的經(jīng)典物理學(xué)大廈很快建成了。

經(jīng)典力學(xué)部分公式

運(yùn)用經(jīng)典物理學(xué)知識，我們幾乎可以解決現(xiàn)實(shí)生活中所有的運(yùn)動及做功的相關(guān)問題——杠桿、滑輪、振動、落體、發(fā)射、液壓機(jī)、燃油機(jī)、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、噴氣機(jī)、土木工程、衛(wèi)星軌道···牛二定律，標(biāo)志著物理學(xué)研究的開始，為人類提供了強(qiáng)有力的科學(xué)工具。

運(yùn)動問題

5.麥克斯韋方程組?？偨Y(jié)者：詹姆斯·克拉克·麥克斯韋。

麥克斯韋方程組

也許這組公式讓人看起來一點(diǎn)也不覺得可愛，但是如果沒有它，就沒有電，沒有燈，沒有手機(jī)，沒有現(xiàn)在信息時代的一切智能電子產(chǎn)品?，F(xiàn)在再想想，它是不是還是挺可愛的？

電燈

麥克斯韋方程組的來源那可很值得說道說道。

先說一說電。

2500多年前，古希臘的另一名哲人泰勒斯就發(fā)現(xiàn)，琥珀被摩擦后會吸引絨毛或木屑，他稱之為靜電。

泰勒斯發(fā)現(xiàn)靜電

靜電產(chǎn)生的原理：物質(zhì)由分子構(gòu)成，分子由原子構(gòu)成，原子由帶負(fù)電荷的電子和帶正電荷的質(zhì)子構(gòu)成。正常狀況下，原子的質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)量相等，正負(fù)平衡，對外表現(xiàn)出不帶電的現(xiàn)象。電子環(huán)繞于原子核（質(zhì)子組成）周圍，經(jīng)外力作用(如動能、勢能、熱能、化學(xué)能等)可脫離軌道，離開所在的原子A而侵入其他原子B，A因減少電子數(shù)而帶有正電荷，稱為陽離子，B因增加電子數(shù)而帶負(fù)電荷，稱為陰離子。理論上來說，任何兩個不同材質(zhì)的物體接觸后再分開，都可產(chǎn)生陰陽離子。

靜電產(chǎn)生原理

電荷和人類一樣，遵循同性相斥、異性相吸的原理，因此摩擦后帶正負(fù)電荷的物質(zhì)就會相互吸引。后來人們發(fā)現(xiàn)金屬原子的電子很容易失去，可以將帶電體的電荷“輸送”回去抵消成為不帶電體，就將金屬物稱為導(dǎo)體，電荷在導(dǎo)體中的運(yùn)動過程稱為電流。

同性相斥、異性相吸

人們發(fā)現(xiàn)了神奇的靜電后，就像遠(yuǎn)古時代發(fā)現(xiàn)了火一樣，當(dāng)然要想怎么控制它、使用它。1745年，荷蘭科學(xué)家馬森布羅克發(fā)明了萊頓瓶。它是一個玻璃容器，內(nèi)外包覆著導(dǎo)電金屬板，瓶口上端接一個球形電極，下端利用導(dǎo)體（通常是金屬鎖鏈）與內(nèi)側(cè)金屬板連接，外部金屬箔接地（地球可視為巨大的不帶電物體）。生產(chǎn)靜電的方式是將球形電極接上靜電產(chǎn)生器不斷摩擦，內(nèi)部金屬板就會不斷失去電子，外部金屬板得到電子。由于內(nèi)外金屬板相鄰很近但沒有導(dǎo)體連接，靜電就被“保存”在金屬板中了。

萊頓瓶

時至今日，科普館里我們摸了就會怒發(fā)沖冠的靜電體驗(yàn)球，采用的也是萊頓瓶的原理。當(dāng)我們觸摸瓶上的球形電極時，身體就會失去電子而帶正電，同性相斥，頭發(fā)就四散分開了。

靜電體驗(yàn)球

1752年，美國創(chuàng)造者之一、參與起草了《獨(dú)立宣言》和美國憲法、積極主張廢除奴隸制度、深受美國人民尊敬的本杰明·富蘭克林，進(jìn)行了著名的引雷實(shí)驗(yàn)，證明雷電是由靜電造成的，風(fēng)箏線最下面的瓶子也是萊頓瓶。

引雷實(shí)驗(yàn)

1799年，意大利科學(xué)家伏打，在其朋友生理學(xué)家伽伐尼的啟發(fā)下發(fā)現(xiàn)，兩種不同的金屬相連，也會產(chǎn)生電。他舌頭舔著一枚金幣和一枚銀幣，然后用導(dǎo)線把硬幣連接起來，在連接的瞬間，舌頭有發(fā)麻的感覺。經(jīng)過無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)，伏打終于制成了能產(chǎn)生持續(xù)電流的電源。

伏打郵票

這就是世界上最早的電池——伏打電池。其由數(shù)十個銀與鋅的圓板相互疊加而成，在這些圓板之間放上導(dǎo)電的浸液片，這樣就成了一個電池，它能產(chǎn)生相當(dāng)多的電荷，把兩端用金屬導(dǎo)線連接起來就可以獲得持續(xù)的電流。直到今天，我們的化學(xué)電池，無論是鎳鎘電池還是鋰電池，原理都和伏打電池一樣。

伏打電池原理

再來說一說磁。

先秦時代的中國勞動人民就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了磁鐵礦，約唐朝時便發(fā)明了類似指南針的儀器司南?？上覀儧]有深入的研究原因，否則電氣時代也許能提前1000年到來。

1269年，法國學(xué)者皮?！さ埋R立克仔細(xì)研究了鐵針在條形磁石附近各個位置的方向，第一次描繪出磁場線。他發(fā)現(xiàn)這些磁場線匯集于磁石的相反兩端位置，就好像地球的經(jīng)線相會于南極與北極。因此，他稱這兩個位置為磁極，而且像地球的南北極一樣用S、N表示。

磁場線

1820年，一系列革命性發(fā)現(xiàn)誕生，開啟了現(xiàn)代磁學(xué)理論。7月，丹麥物理學(xué)家漢斯·奧斯特發(fā)現(xiàn)載流導(dǎo)線會施加作用力于磁針，使磁針偏轉(zhuǎn)指向。9月，法國科學(xué)家安德烈·瑪麗·安培發(fā)現(xiàn)假若所載電流的流向相同，則兩條平行的載流導(dǎo)線會互相吸引，否則會互相排斥。10月，法國物理學(xué)家讓·巴蒂斯特·畢奧和菲利克斯·沙伐共同發(fā)表了畢奧-薩伐爾定律，能夠正確地計算出在載流導(dǎo)線四周的磁場的大小和方向。

畢奧-薩伐爾定律

1825年，安培又發(fā)表了安培定律。通電直導(dǎo)線中，用右手握住通電直導(dǎo)線，大拇指指向電流的方向，四指指向就是磁感線的環(huán)繞方向；用右手握住通電螺線管，讓四指指向電流的方向，那么大拇指所指的那一端是通電螺線管產(chǎn)生磁場的N極。這就是電動機(jī)（馬達(dá)）的基本原理。

安培定律

1831年10月17日，物理學(xué)界的自學(xué)成才泰斗法拉第，首次發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象。即放在變化的磁通量中的導(dǎo)體，會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，若將此導(dǎo)體閉合成一回路，則該電動勢會驅(qū)使導(dǎo)體中的電子流動，形成感應(yīng)電流。

電磁感應(yīng)

后來他又將其優(yōu)化，使導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運(yùn)動，同樣能夠產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流。這就是發(fā)電機(jī)的原理，我們用的每一度電，都是鐵棒君辛辛苦苦切磁場切出來的。

切割磁感線運(yùn)動

至此，人們搞明白了電，搞明白了磁，還發(fā)現(xiàn)電能夠產(chǎn)生磁，磁也能夠產(chǎn)生電。但并沒有一個很好的數(shù)學(xué)理論，能將這些現(xiàn)象完美的解釋和統(tǒng)一。直到詹姆斯·克拉克·麥克斯韋于1865年歸納出麥克斯韋方程組。

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋

它由四個定律組成。1.高斯定律：描述電場與空間中電荷分布的關(guān)系。指出電場線開始于正電荷，終止于負(fù)電荷。2.高斯磁定律：表明磁單極子不存在。沒有孤立磁荷，磁場線沒有初始點(diǎn)，也沒有終止點(diǎn)。磁場線會形成循環(huán)或延伸至無窮遠(yuǎn)。3.法拉第感應(yīng)定律：描述時變磁場怎樣感應(yīng)出電場。4.麥克斯韋-安培定律：闡明磁場可以用兩種方法生成，傳導(dǎo)電流和時變電場。

高斯

所以麥克斯韋方程組并不是老麥一個人的功勞，高斯、安培、法拉第都有功勞。沒想過吧？人家高斯不止小時候會很快的計算出1+2+3···+100，還會算磁場。該方程組將電場和磁場有機(jī)地統(tǒng)一成完整的電磁場，并創(chuàng)立了電磁場理論。沒有電磁學(xué)理論，就不會有現(xiàn)在的美好科技生活。

它的應(yīng)用太多了，隨便舉幾個例子結(jié)束本篇文章吧。三峽大壩水力發(fā)電廠、電動車、智能手機(jī)、無線通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、電子計算機(jī)……

三峽大壩

敬請期待下期。