焦耳（James Prescort Joule,1818～1889）英國杰出的物理學家。1818年12月24日生于曼徹斯特附近的索爾福德。父親是個富有的啤酒廠廠主。焦耳從小就跟父親參加釀酒勞動，學習釀酒技術，沒上過正規學校。16歲時和兄弟一起在著名化學家道爾頓門下學習，然而由于老師有病，學習時間并不長，但是道爾頓對他的影響極大，使他對科學研究產生了強烈的興趣。1838年他拿出一間住房開始了自己的實驗研究。他經常利用釀酒后的業余時間，親手設計制作實驗儀器，進行實驗。焦耳一生都在從事實驗研究工作，在電磁學、熱學、氣體分子動理論等方面均作出了卓越的貢獻。他是靠自學成為物理學家的。 焦耳是從磁效應和電動機效率的測定開始實驗研究的。他曾以為電磁鐵將會成為機械功的無窮無盡的源泉，很快他發現蒸汽機的效率要比剛發明不久的電動機效率高得多。正是這些實驗探索導致了他對熱功轉換的定量研究。 從1840年起，焦耳開始研究電流的熱效應，寫成了《論伏打電所生的熱》、《電解時在金屬導體和電池組中放出的熱》等論文，指出：導體中一定時間內所生成的熱量與導體的電流的二次方和電阻之積成正比。此后不久的1842年，俄國著名物理學家楞次也獨立地發現了同樣的規律，所以被稱為焦耳－楞次定律。這一發現為揭示電能、化學能、熱能的等價性打下了基礎，敲開了通向能量守恒定律的大門。焦耳也注意探討各種生熱的自然“力”之間存在的定量關系。他做了許多實驗。例如，他把帶鐵芯的線圈放入封閉的水容器中，將線圈與靈敏電流計相連，線圈可在強電磁鐵的磁場間旋轉。電磁鐵由蓄電池供電。實驗時電磁鐵交替通斷電流各15分鐘，線圈轉速達每分鐘600次。這樣，就可將摩擦生熱與電流生熱兩種情況進行比較，焦耳由此證明熱量與電流二次方成正比，他還用手搖、砝碼下落等共13種方法進行實驗，最后得出：“使1磅水升高1°F的熱量，等于且可能轉化為把838磅重物舉高1英尺的機械力（功）”（合460千克重米每千卡）。總結這些結果，他寫出《論磁電的熱效應及熱的機械值》論文，并在1843年8月21日英國科學協會數理組會議上宣讀。他強調了自然界的能是等量轉換、不會消滅的，哪里消耗了機械能或電磁能，總在某些地方能得到相當的熱。這對于熱的動力說是極好的證明與支持。因此引起轟動和熱烈的爭議。 為了進一步說服那些受熱質說影響的科學家，他表示：“我打算利用更有效和更精確的裝置重做這些實驗。”以后他改變測量方法，例如，將壓縮一定量空氣所需的功與壓縮產生的熱量作比較確定熱功當量；利用水通過細管運動放出的熱量來確定熱功當量；其中特別著名的也是今天仍可認為是最準確的槳葉輪實驗。通過下降重物帶動量熱器中的葉片旋轉，葉片與水的摩擦所生的熱量由水的溫升可準確測出。他還用其他液體（如鯨油、水銀）代替水。不同的方法和材料得出的熱功當量都是423.9千克重·米每千卡或趨近于423.85千克重·米每千卡。 在1840～1879年焦耳用了近40年的時間，不懈地鉆研和測定了熱功當量。他先后用不同的方法做了400多次實驗，得出結論：熱功當量是一個普適常量，與做功方式無關。他自己1878年與1849年的測驗結果相同。后來公認值是427千克重·米每千卡。這說明了焦耳不愧為真正的實驗大師。他的這一實驗常數，為能量守恒與轉換定律提供了無可置疑的證據。 1847年，當29歲的焦耳在牛津召開的英國科學協會會議上再次報告他的成果時，本來想聽完后起來反駁的開爾文勛爵竟然也被焦耳完全說服了，后來兩人合作得很好，共同進行了多孔塞實驗（1852），發現氣體經多孔塞膨脹后溫度下降，稱為焦耳－湯姆孫效應，這個效應在低溫技術和氣體液化方面有廣泛的應用。焦耳的這些實驗結果，在1850年總結在他出版的《論熱功當量》的重要著作中。他的實驗，經多人從不同角度不同方法重復得出的結論是相同的。1850年焦耳被選為英國皇家學會會員。此后他仍不斷改進自己的實驗。恩格斯把“由熱的機械當量的發現（邁爾、焦耳和柯爾丁）所導致的能量轉化的證明”列為19世紀下半葉自然科學三大發現的第一項。 選自：《物理教師手冊》 | 
打印本文