物理學家名人故事：焦耳的科學研究故事

焦耳（1818～1889）是英國人，1818年12月24日出生在曼徹斯特市一家啤酒廠主的家庭里，從小就跟著爸爸釀酒，沒有進過學校。然而焦耳天資聰明，喜歡讀書，常常一邊勞動一邊認字，自學到不少知識。后來，他幸運地認識了著名化學家道爾頓教授，便常常到他那里請教。從此，焦耳對自然科學，特別是實驗科學產生了濃厚的興趣。

有一次，焦耳與哥哥一塊找來一匹跛馬，把電流通到馬身上，馬受到刺激便狂跳起來。焦耳記下電流的大小和馬的狂跳程度，說這是用馬來觀察電擊實驗。還有一次，焦耳用火藥槍發(fā)出的巨響做回聲實驗。為使響聲更大些，他向槍膛中裝了三倍的火藥，結果槍口噴出的火焰把焦耳的眉毛都燒光了。

24歲時，焦耳開始對通電導體放熱的問題進行深入的研究。他把父親的一間房子改成實驗室，一有空便鉆到實驗室里忙個不停。焦耳首先把電阻絲盤繞在玻璃管上，做成一個電熱器。然后把電熱器放入一個玻璃瓶中，瓶中裝有已知質量的水。給電熱器通電并開始計時，用鳥羽毛輕輕攪動水，使水溫度均勻。從插在水中的溫度計，可隨時觀察到水溫的變化。同時用電流計測出電流的大小。焦耳把這種實驗做了一次又一次，大量數(shù)據(jù)使焦耳發(fā)現(xiàn)：電流通過導體時產生的熱量跟電流的平方成正比，跟導體的電阻成正比，跟通電的時間成正比。

焦耳把這一實驗規(guī)律寫成論文《關于金屬導體和電池在電解時放出的熱》，并于1841年發(fā)表在英國《哲學雜志》上。然而，論文并沒有引起學術界的重視。因為在一些學者們看來，電與熱的關系不能那么簡單，況且焦耳只是一個釀酒師，又沒有大學文憑。一年后，俄國彼德堡科學院院士楞次也做了電與熱的實驗，并得到與焦耳完全一致的結果。焦耳的論文才得到重視，后來人們把這個定律叫做焦耳定律。

外界的冷落與贊美都沒有影響焦耳對真理的追求，他仍繼續(xù)著自己的實驗工作。在完成電流熱效應的研究之后，焦耳又進行了功與熱量的轉化實驗。焦耳認為，自然界的能量是不能消滅的，消耗了機械能，總能得到相應的熱能。因此，做功和傳遞熱量之間一定存在著確定的數(shù)量關系。那么1卡的熱量相當于多少焦耳的功呢？（今天，人們把這一換算關系叫做熱功當量。）焦耳想用實驗找到這一關系。為此，他精心設計了量熱器，用不同方法進行實驗探索。從1843年起在近40年當中，焦耳做了400多次實驗，終于得出了比較精確的熱功當量值1卡＝4.15焦耳。這一數(shù)值與今天公認的熱功當量值1卡＝4.18焦耳比較起來雖然小了些，但在當時的實驗條件下卻是件了不起的事。焦耳的熱功當量值曾保持了30年沒有變化，這在物理學史上是極為罕見的。

焦耳準確地測定熱功當量，以無可辯駁的事實進一步證明了能的轉化和守恒定律是客觀真理。這一定律的確定，在理論上，不僅對自然科學的發(fā)展提供了一個堅實的理論基礎，而且也為建立辯證唯物主義提供了有力的科學依據(jù)。在實踐上，它給制造“永動機”的幻想做了“不能實現(xiàn)”的最后判決?？傊?，它使我們在撲朔迷離、千姿百態(tài)的物理現(xiàn)象中，不再無所適從，為人類認識自然、改造自然提供了強有力的武器。

為了紀念這位物理學家的偉大業(yè)績，物理學將功的單位命名為焦耳。