[工学]第一讲:电磁学与分析数学史概览_83110940.ppt

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[工学]第一讲:电磁学与分析数学史概览_83110940

2010-04-12 Prof.Xiqin Wang, EE TSHU 清华大学电子工程系 电子信息科学与技术导引 第一讲 电磁学与分析数学史概览 王希勤 2010年04月12日 第一讲主要内容 为什么开设导引课? 学科的知识体系是如何形成的? 电磁学与分析数学史概览 历史告诉了我们什么? “导引课”讲些什么内容? 为什么开设导引课? 开设《导引》课的目的 引导新生了解电子信息学科知识体系的架构 初步建立学科知识的核心概念 理解课程体系设置与培养计划安排的背景 引导学生选课和确定主攻方向 激发学习兴趣 学习理论的基本原理 Preconception 学生是带着已有的知识(preconception)来到教室的。如果他们已经建立起来的概念没有被纳入教学之中,那么他们将很可能接受不了新的概念和信息,或者即使能够为了考试的目的学习新的知识,可是一离开教室他们还将回到他们的那些原有的知识体系中去。 Coreconception 要发展某个研究领域的能力,学生必须: 具有深入的实际知识(factual knowledge)的基础; 在一个概念架构(conceptual framework)的背景下理解事实和观念; 以能够有助于回忆和运用的方式组织好知识。 Metacognition 基于元认知(Metacognition)的教学方法能够帮助学生学会通过确定学习目标和掌控达到这些目标的过程来控制他们自身的学习。 电子信息科学技术的知识体系 是如何形成的? 历史告诉我们很多… 学科环境模型 学科知识体系形成过程模型 人类认识电与磁的历史 人类很早就发现了电现象和磁现象 我国上古八卦说就已经把雷作为最常见的八种物象(天地雷风水火山泽)之一,雷(震卦)与电有关(电的繁体字是“電”) 公元前585年的希腊时代就有了关于静电现象的记载。希腊哲学家Miletus已记载了用木块摩擦过的琥珀能够吸引碎草等轻小物体,后来又有人发现摩擦过的煤玉也具有吸引轻小物体的能力。 我国西汉末年(公元前20年)有了“瑇瑁(玳瑁)吸楉(细小物体之意)”的记载;西晋时《博物志》还有关于摩擦起电引起放电现象的记载“今人梳头,解著衣时,有随梳解结有光者,亦有咤声。” 电(electricity)一词来自希腊文的琥珀(electron),有各种变形: Electricity, Electronic, Electrical, Electronics 人类认识电与磁的历史 大约在公元前7-6世纪发现了磁石吸铁、磁石指南等现象。 《管子》中最早记载了这些发现:“山上有磁石者,其下有金铜。”其他古籍如《山海经》中也有类似的记载。 我国战国时期就出现了利用自然磁石制作的“司南之勺”。 磁石的吸铁特性很早就被人发现,《吕氏春秋》九卷精通篇就有:“慈招铁,或引之也。”那时的人称“磁”为“慈”,他们把磁石吸引铁看作慈母对子女的吸引。 东晋的崔豹在《古今注》中曾提到 “指南鱼”。 人类认识电与磁的历史 人类对电磁现象的系统研究始于17世纪。 1600年英国人吉尔伯特发表了《论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体》一书 总结了前人对磁的研究,周密地讨论了地磁的性质,记载了大量实验,使磁学变成了科学。 他发现,相当多的物质经摩擦后也都具有吸引轻小物体的性质,他注意到这些物质经摩擦后并不具备磁石那种指南北的性质。为了表明与磁性的不同,他采用琥珀的希腊字母拼音把这种性质称为“电的”。 磁和电都有吸引的性质,但是并不相同。静磁的研究相对容易,因为存在天然磁石。而静电的研究要困难得多,因为没有找到一种产生静电的方式。 人类认识电与磁的历史 人类对电磁现象的系统研究始于17世纪。 1660年盖利克发明了第一台摩擦起电机。 他用硫磺制成形如地球仪的可转动球体,用干燥的手掌摩擦转动球体,使之获得电。 盖利克的摩擦起电机经过不断改进,在静电实验研究中起着重要的作用,直到19世纪霍耳茨和推普勒分别发明感应起电机后才被取代。 使得静电研究进入活跃期。 17世纪分析数学的进步 有限差方法 用于非线性函数在样值点之间的内插 Gregory 1670, Leibniz 1673, Newton 1676, and John Bernoulli 1694 导致Taylor级数的发现 (published by Taylor in 1715). 微积分出现 主要是为了计算方便 人类认识电与磁的历史 18世纪是静电学研究的活跃期。 1720年格雷研究了电的传导现象,发现了导体与绝缘体的区别,随后又发现了静电感应现象。 1733年杜菲经过实验区分出松脂电(负电)和玻璃电(正电),并总结出静电的基本特性:同性相斥、异性相吸。 1745-1746年克莱斯特和马森布诺特分别独立地发明了莱顿瓶。 1747年,富兰克林(发明了避雷针)提出

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