书城科普读物趣味科学(科学知识大课堂)
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第6章 趣味发明(5)

起初,法拉第的实验只是仿照安培的做法,安培的磁生电的实验完全是对静电感应的模仿。静电感应时,只要把带电体靠近绝缘导体,在导体的另一端,就能感应出电荷。法拉第把两根导线靠在一起,在一根导线里通上电流,希望在另一根导线上感应出电流来,但是,实验结果是失败。后来,他又用一个强大的磁铁靠近接有电流计的导线,但是,导线里也没有像法拉第想象的那样出现电流。这样的实验许多人都做过,结果都是失败,惟有法拉第没有被失败吓倒。

法拉第认为,失败的主要原因是自己对电和磁的本质知道得太少。他听说有位名叫阿拉果的科学家把铁屑撒在通电导线周围,能形成环形图案。这些图案必定包含着什么秘密。法拉第决定从这神秘的磁力图案开始研究。

法拉第拿来一张白纸,纸下面放一块条形磁铁,把细铁屑撒在白纸上,轻轻地弹动这张纸,铁屑立即排列成从磁极出发的许多条美丽的曲线。这件事600多年前佩雷格里努斯就做过,但是理解它的只有法拉第。

法拉第给这些曲线起了一个名字叫磁力线。法拉第是一个使科学概念精确化的大师,我们现在使用的许多科学名词都是由法拉第命名的。法拉第每天都摆弄这些磁铁和铁屑,研究磁力线的性质,他画出了条形磁铁、马蹄形磁铁,甚至形状像地球的球形磁铁的磁力线。他发现了磁力线的许多性质。例如,磁力线从磁铁一个磁极出发到另一个磁极终止;磁力线之间有排斥的倾向,在空间总有散开的趋势。当一个线圈通上电流时,磁力线便引发出去;切断电流时,磁力线就收回消失;而电流接通后,磁力线就不再运动。法拉第对这些磁力线的研究,实际上已经揭示了磁场的本质,但是不被当时的科学界所接受。因为这里没有数学,在法拉第所在的19世纪初期,数学已经高度发展,大大超过现在非数学专业大学毕业生的数学水平。数学是研究物理的重要工具,但是它永远不能代替物理。从纷繁复杂的物理现象中找出实质,需要的是思想,有时并不需要有高深的数学知识。

著名的科学家汤姆逊在几十年后曾经评论说:“在法拉第的许多伟大贡献当中,最伟大的一个就是磁力线概念了。电场磁场的许多性质,依靠它就可以简明而形象地表示出来。”

法拉第发现,磁力线像一些链条一样把电流和电流、磁铁和电流之间联系在一起。如果能从这些拉拉扯扯的线团里理出一些头绪来,磁生电的愿望就会实现。

法拉第发现,磁力线在通过通电螺旋管时,非常顺从,就像梳理好的一束秀发。于是法拉第把两个螺旋管绕在一个铁环上,像左图中那样,一个是右侧的A线圈,另一个是左侧的B线圈,此时他想,如果给其中的一个线圈通电,磁力线一定会穿过一个螺旋管后,再穿过另一个螺旋管,从而把两个线圈联系在一起。

法拉第把线圈A和有10个电流的电池组相接,B线圈和电流计连接,当他合上电键时,他看到电流计的指针振动了一下,又回到零的位置,当切断电源时,电流指针又受到扰动。

法拉第非常高兴,但没有立即领地到这种现象的全部意义,他在1831年9月23日的一封写中写道:“我现在又忙于电磁的研究,并且认为抓到了一点好东西,但是还不能说明白。它可能是杂草而不是鱼。竭尽全力,我终究可以把它拉出来。”

法拉第利用磁力线进行分析,他断定,当A线圈通电的时候,一束磁力线立即从它发出穿过B线圈;而切断电源时,磁力线便缩回到A线圈中消失掉。恰是在磁力线伸缩时,产生瞬间电流。

法拉第开始领悟到安培实验失败的原因了。原来是静电感应现象的类比使自己走入歧途。在静电感应中,一切都是不动的,而这里运动则是关键。法拉第把这种运动形象地叫做线圈切割磁力线,只有此时才会有瞬时电流产生。

这些思考大约花去了法拉第3个月的时间,法拉第当时还担任着皇家学院的讲座工作。据说和奥斯特类似,法拉第也是在讲座课堂上获得了磁生电的重大发现。

说起法拉第演讲还有一个故事。皇家学院的科学讲座一直没有停止,因为,这样可以解决学院的部分财政问题。年轻的法拉第一开始是没有资格来举行讲座的。有一次,法拉第为电学家惠斯顿准备好了实验仪器,等待他来演讲,但是惠斯顿突然有事情不能来,可是大厅里已经坐满了前来听讲的听众,此时只好由法拉第代为演讲。毫无准备的法拉第进行了即兴演讲,做了许多有趣的实验,博得了听众的好评,从此以后,法拉第代替他的师傅戴维,成为主要的演讲人。

在一次演讲中,法拉第向人们讲述什么是磁力线。他把一个条形磁铁插入与电流计相连的线圈之中,就在这个时候,法拉第看到电流计指针的摆动;当把磁铁从线圈里抽出来的时候,指针向相反方向摆动。法拉第让磁铁不动,把线圈突然套在磁铁上,电流计的指针也在摆动;把线圈从磁铁上抽出来,指针又向相反方向摆动。这现象表示磁铁在线圈中抽动时产生了电流。但如果磁铁和线圈全不动,则不管磁铁是不是在线圈里,均不产生电流。

法拉第在演示磁力线的瞬间,自己切实地看到了,只有当线圈切割磁铁周围的磁力线时,才能有感应电流产生。这正是他10年来所追求的结果:只要线圈不断地切割磁力线,感应电流就会不断地产生出来。

这是他经过10年奋斗得到的结果。磁生电的理想终于实现了!这不仅是对法拉第,对整个人类来说也是一个莫大的喜讯!

讲座结束以后,法拉第回到家里,立即做了一个更精确的实验,实验过程都记录在1831年10月17日的日记上。

也许有人认为,法拉第的这项发现是出于偶然,法拉第偶然地把磁铁插入线圈中,又偶然地瞥了一眼桌上的电流计。其实这种看法并不是完全正确的。在10年前,安培和法拉第都曾观察到电流计出现的瞬时摆动,但是并不理解它,因此,也就不知道如何进一步去挖掘它。10年的研究使法拉第对电磁场有了深入的了解,尤其是他建立的磁力线学说,实际上几乎包含了电磁理论的全部内容,这是导致他发现电磁感应定律的内在原因。

法拉第并没有就此停步,他对于把磁铁从线圈里不停地拉出来又放进去这种产生电流的方法还不满意。他想,必须使磁铁在转动中就可以产生电流才有意义,因为当时的水轮机、蒸汽机,都是以转动的方式输出动力的。

法拉第找来一块大的马蹄形磁铁,把一个中心有轴的圆形铜盘固定在支架上,铜盘的一部分伸到马蹄形磁铁两极间。在铜盘的轴线处引出一根导线,铜盘在边缘通过一个电刷和另一根导线连接,两根导线连在同一个电流计上。当摇动这个铜盘时,电流计就指示出电流的读数。

在圣诞节举行的盛大演讲会上,法拉第非常兴奋地向听众展示了这个新奇玩意儿。法拉第有卓越的演讲技巧,演讲中充满了热情,就连擅长演讲的小说家狄更斯都很钦佩他,维多利亚女王的丈夫艾伯特亲王和儿子爱德华王子也是他的听众。

他详细地介绍了磁生电的原理,并开始摇动那个铜盘,电流计指针偏离了零点,随着摇动的加快,电流的读数越来越大。

听众中传来欢呼声,法拉第的额头也沁出汗珠。当他轻轻地拭去脸上的汗水时,却听到一位贵妇人不以为然的问话:“请问,先生,您发明的这小玩意儿有什么用呢?”

法拉第不失风度地向这位夫人微微一欠身,从容地回答道:“夫人,新生的婴儿又有什么用呢?”

多么恰当的比喻,法拉第的铜盘发电机确实只发出了微小的电流。然而,它又是真正的、实用的发电机的原始形态。历史已经表明,由此导致的发电机的诞生,为人类揭开了电气时代的第一页,到现在,任何人也不会否认,这个“婴儿”已成长为“巨人”。

电影之父的贡献

人类进入19世纪,科学技术的飞速发展为电影艺术的成长奠定下坚实的基础。

这里,首先要提到的是1839年摄影技术的产生和它的广泛应用。它构成了电影拍摄的重要组成部分。

说起来有点可笑,电影摄影机的发明,竟是由于一次打赌的意外收获。

1872年,一位美国富翁和朋友打赌。他说,马在奔跑时,在跃起的瞬间是四蹄离开地面的。那位朋友反对说,不管在什么时候,奔跑的马总是两蹄离地、两蹄着地的。于是富翁请了英国摄影师爱德华·麦布里奇来做试验。麦布里奇把24架照相机的快门上各牵上一根线,当马匹飞奔经过时,连续踩断了24根线,在极短的时间里,使照相机依次拍下24张照片,再将这些照片一张一张地按次序看下去,以便观察马儿是怎样跃起,又是怎样着地的。为了这一试验,麦布里奇和助手们吃尽了苦头,付出了大量的劳动,历时6年,终于拍摄出一套宝贵的“马跑小道”的珍贵资料,同时也证实了美国富翁的预言是正确的。然而,麦布里奇的成功又向人们提出了一个新问题:如果解决连续摄影的问题?因为他用24架照相机仅仅只能拍摄奔马的一段动作,如果马奔跑1000米的长距离,就得用上成千上万架照相机,胶卷的长度将会绕地球转一圈了。所以,如何运用一架单镜头的摄影机来代替多镜头的摄影机或者一组摄影机,就成了解决连续摄影的关键问题。

1882年,当麦布里奇带上自己拍摄的连续照片到欧洲旅行时,他们的成果使法国学者马莱受到了极大的鼓舞。经过几年的不懈努力,马莱运用左轮枪的原理,创造出一种轻便的“摄影枪”,这是第一架能从一个镜头里,一秒钟内获取若干底片的摄影机,它真正解决了连续摄影的问题,说明现代的摄影机和摄影术已经诞生。

到了1888年,英国发明家格林奈在前人研究的基础上,改进了摄影枪,发明了世界上第一部电影摄影机,同时拍摄了伦敦的街景。当试放他的电影,看见人物在布幕上活动起来时,他跑到街头激动地高呼:“成功了,成功了!”

在这一时期,世界著名的大发明家爱迪生的贡献也是不容抹煞的。

他的第一个贡献,是在1887年和他的助手狄克逊在胶片间发明了凿孔方法,解决了活动照片的放映问题,这便是“爱迪生型”影片的问世。

他的第二个贡献,是在1894年发明了“电影视镜”。它像一只大柜子,上面装有放大镜,里面装有50英尺的凿孔胶片,首尾相衔接,绕在一组小滑轮上,当马达开动后,胶片便渐渐移动,画面循环出现。“电影视镜”面世后,深受人们的欢迎。当它传入中国后,被称为“西洋镜”。

爱迪生的发明使电影技术日臻完善。他运用“电影视镜”拍摄了一些娱乐性的舞台影片,成为世界电影史上摄制戏剧电影的最早纪录,如1893年拍摄的《奥特打喷嚏》就是一个著名的例子。

在实践中,人们发现这种“电影视镜”还有一些缺陷:一是太笨重,使用很不方便;二是没有银幕,只能供一个人观赏,缺少群众性;三是放映速度过快,致使人物动作不太自然、平稳。

改进并完善“电影视镜”的任务就落到法国卢米埃尔兄弟的肩上。

卢米埃尔兄弟原是照相摄影师。这哥儿俩将爱迪生的发明、其他人的成果以及自己的“连续摄影机”进行综合研究后,于1894年研制成了世界上第一架比较完善的电影放映机——活动电影视镜,终于把影像投放到银幕上,使广大的观众能够共同欣赏这一新生的艺术。第二年,他们取得了拍摄和放映电影的专利,成为真正电影的发明者和创始人。

卢米埃尔兄弟的“活动电影视镜”是架手提摄影机,不仅灵活轻便,节约胶片,放映质量好,而且具有一身兼任三职——摄影机、拷贝翻印机和放映机的功能,对电影事业产生了深远的影响,因而后人尊称卢米埃尔兄弟为“电影之父”。

1895年12月28日是人类历史上值得纪念的一天。这一天,在巴黎卡普辛路14号大咖啡馆地下室,卢米埃尔兄弟公开售票放映了自己的影片。

首先放映的是《工厂的大门》。内容是:清晨,工厂的大门被慢慢地推开了。女工们穿着不同花纹的衣裙,软边帽上插着千姿百态的羽毛,三五成群说说笑笑地进入大门。男工们穿着敞怀的茄克衫,推着自行车,漫不经心地也走进厂门。随后来了一辆豪华的马车,工厂主旁若无人地坐在里面,马车驶入工厂后,大门便缓缓地关上了。影片内容虽然简单,但观众看得兴味盎然,放映获得极大成功,引起巨大轰动。这一天被公认为世界电影的诞生纪念日。

卢米埃尔兄弟一共拍摄了50多部短片,都是纪实片。这些短片从内容到表现手法都对后来的电影事业产生了深远的影响。

他们的影片,现实主义地表现了人们的生活。短片几乎没有什么故事情节,缺少矛盾冲突,然而动作性和新闻性较强,拍摄真实,成为写实主义的开路先锋。影片能够开阔人们的视野,开发人们的智慧,促进人类的科学技术发展。当高尔基看了这些影片后,热情地赞颂道:“可以肯定地预示,由于这个发明具有惊人的新颖性,它将获得广泛的发展”,“它一定能够为一般的科学任务服务,为改善人们的生活和发展人们的智慧服务。”

下面简单介绍几部影片对后世的影响。

《工厂的大门》:传说是卢米埃尔在里昂工厂对面一幢楼的窗口拍摄的,这是电影史上第一次用“隐蔽摄影法”拍片。