物理學(xué)家名人故事：焦耳的科學(xué)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(jìn)過學(xué)校。然而焦耳天資聰明，喜歡讀書，常常一邊勞動(dòng)一邊認(rèn)字，自學(xué)到不少知識(shí)。后來，他幸運(yùn)地認(rèn)識(shí)了著名化學(xué)家道爾頓教授，便常常到他那里請(qǐng)教。從此，焦耳對(duì)自然科學(xué)，特別是實(shí)驗(yàn)科學(xué)產(chǎn)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(shí)驗(yàn)。還有一次，焦耳用火藥槍發(fā)出的巨響做回聲實(shí)驗(yàn)。為使響聲更大些，他向槍膛中裝了三倍的火藥，結(jié)果槍口噴出的火焰把焦耳的眉毛都燒光了。

24歲時(shí)，焦耳開始對(duì)通電導(dǎo)體放熱的問題進(jìn)行深入的研究。他把父親的一間房子改成實(shí)驗(yàn)室，一有空便鉆到實(shí)驗(yàn)室里忙個(gè)不停。焦耳首先把電阻絲盤繞在玻璃管上，做成一個(gè)電熱器。然后把電熱器放入一個(gè)玻璃瓶中，瓶中裝有已知質(zhì)量的水。給電熱器通電并開始計(jì)時(shí)，用鳥羽毛輕輕攪動(dòng)水，使水溫度均勻。從插在水中的溫度計(jì)，可隨時(shí)觀察到水溫的變化。同時(shí)用電流計(jì)測出電流的大小。焦耳把這種實(shí)驗(yàn)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(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的熱量跟電流的平方成正比，跟導(dǎo)體的電阻成正比，跟通電的時(shí)間成正比。

焦耳把這一實(shí)驗(yàn)規(guī)律寫成論文《關(guān)于金屬導(dǎo)體和電池在電解時(shí)放出的熱》，并于1841年發(fā)表在英國《哲學(xué)雜志》上。然而，論文并沒有引起學(xué)術(shù)界的重視。因?yàn)樵谝恍W(xué)者們看來，電與熱的關(guān)系不能那么簡單，況且焦耳只是一個(gè)釀酒師，又沒有大學(xué)文憑。一年后，俄國彼德堡科學(xué)院院士楞次也做了電與熱的實(shí)驗(yàn)，并得到與焦耳完全一致的結(jié)果。焦耳的論文才得到重視，后來人們把這個(gè)定律叫做焦耳定律。

外界的冷落與贊美都沒有影響焦耳對(duì)真理的追求，他仍繼續(xù)著自己的實(shí)驗(yàn)工作。在完成電流熱效應(yīng)的研究之后，焦耳又進(jìn)行了功與熱量的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。焦耳認(rèn)為，自然界的能量是不能消滅的，消耗了機(jī)械能，總能得到相應(yīng)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(guān)系。那么1卡的熱量相當(dāng)于多少焦耳的功呢？（今天，人們把這一換算關(guān)系叫做熱功當(dāng)量。）焦耳想用實(shí)驗(yàn)找到這一關(guān)系。為此，他精心設(shè)計(jì)了量熱器，用不同方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索。從1843年起在近40年當(dāng)中，焦耳做了400多次實(shí)驗(yàn)，終于得出了比較精確的熱功當(dāng)量值1卡＝4.15焦耳。這一數(shù)值與今天公認(rèn)的熱功當(dāng)量值1卡＝4.18焦耳比較起來雖然小了些，但在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件下卻是件了不起的事。焦耳的熱功當(dāng)量值曾保持了30年沒有變化，這在物理學(xué)史上是極為罕見的。

焦耳準(zhǔn)確地測定熱功當(dāng)量，以無可辯駁的事實(shí)進(jìn)一步證明了能的轉(zhuǎn)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(duì)自然科學(xué)的發(fā)展提供了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，而且也為建立辯證唯物主義提供了有力的科學(xué)依據(jù)。在實(shí)踐上，它給制造“永動(dòng)機(jī)”的幻想做了“不能實(shí)現(xiàn)”的最后判決?？傊刮覀?cè)趽渌访噪x、千姿百態(tài)的物理現(xiàn)象中，不再無所適從，為人類認(rèn)識(shí)自然、改造自然提供了強(qiáng)有力的武器。

為了紀(jì)念這位物理學(xué)家的偉大業(yè)績，物理學(xué)將功的單位命名為焦耳。