海因里希·鲁道夫·赫兹的主要贡献
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发布时间：2022-04-20 12:15
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时间：2023-06-30 05:16
赫兹对人类文明作出了很大贡献，正当人们对他寄以更大期望时，他却于1894年元旦因血中毒逝世，年仅36岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字来命名各种波动频率的单位，简称“赫”。赫兹也是是国际单位制中频率的单位，它是每秒中的周期性变动重复次数的计量。赫兹的名字来自于德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹。其符号是Hz。电（电压或电流），有直流和交流之分。在通信应用中，用作信号传输的一般都是交流电。呈正弦变化的交流电信号，随着时间的变化，其幅度时正、时负，以一定的能量和速度向前传播。通常，我们把上述正弦波幅度在1秒钟内的重复变化次数称为信号的“频率”，用f表示；而把信号波形变化一次所需的时间称作“周期”，用T表示，以秒为单位。波行进一个周期所经过的距离称为“波长”，用λ表示，以米为单位。f、T和λ存在如下关系： f=1/T ，v=λ.f ，其中，v是电磁波的传播速度，等于3x10^8米/秒。频率的单位是赫兹，简称赫，以符号Hz表示。
赫兹（H·Hertz）是德国著名的物理学家，1887年，是他通过实验证实了电磁波的存在。后人为了纪念他，把“赫兹”定为频率的单位。常用的频率单位还有千赫（KHz）、兆赫（MHz）、吉赫（GHz）等。在载带信息的电信号中，有时会包含多种频率成分；将所有这些成分在频率轴上的位置标示出来，并表示出每种成分在功率或电压上的大小，这就是信号的“频谱”。它所占据的频率范围就叫做信号的频带范围。例如，在电话通信中，话音信号的频率范围是300～3400赫；在调频(FM）广播中，声音的频率范围是40赫～15千赫，电视广播信号的频率范围是0～4.2兆赫等。 接触力学是研究相互接触的物体之间如何变形的一门学科。赫兹1882年发表了关于接触力学的著名文章“关于弹性固体的接触(On the contact of elastic solids)”，赫兹进行这方面研究的初衷是为了理解外力如何导致材料光学性质的改变。为了发展他的理论，赫兹用一个玻璃球放置在一个棱镜上，他首先观察到这个系统形成了椭圆形的牛顿环，以此实验观察，赫兹假设玻璃球对棱镜施加的压力也为椭圆分布。随后他根据压力分布计算了玻璃球导致的棱镜的位移并反算出牛顿环，以此再和实验观察对比以检验理论的正确性。最后赫兹得到了接触应力和法向加载力，接触体的曲率半径，以及弹性模量之间的关系。赫兹的方程是研究疲劳，摩擦以及任何有接触体之间相互作用的基本方程。
赫兹接触理论的主要缺点是没有考虑两个接触体之间的结合力。这一问题在1971年 K. L. Johnson K. Kendall 和 A. D. Roberts解决，他们提出了最后以三人名字命名的JKR接触理论。JKR理论中他们考虑了材料的表面能效应，由于表面能的存在，相互接触的固体之间将引进一个结合力，最后根据能量平衡的原理，他们得到一个方程描述接触应力分布，接触体曲率半径，弹性模量以及材料表面能之间的关系。在JKR模型中，当表面能为零时，方程自然过渡到赫兹方程。推导JKR模型的前提之一是，认为两个接触体的所有相互作用均发生在接触半径之内，后来证明如果采用不同的假设会得到不同的结论。1975年，B.V.Derjaguin, V. M. Muller and Y. P. Toporov等人假设接触体之间相互作用可以发生在接触半径之外，据此假设提出了所谓的DMT模型试图考虑结合力的影响。根据JKR和DMT模型，会的到不同的（pull-off)分离力（分开两个接触体所需要的最大作用力）,这一不同的结果曾引起很多争论，最后Muller等人指出JKR和DMT模型各有各的应用范围：JKR模型对大颗粒，高表面能，低弹性模量的材料描述较好。而DMT模型则相反。
由赫兹开创性工作开始，随后由其他人完善的接触力学理论是涉及到接触体的各种科学及工程研究中不可缺少的工具之一。因此赫兹在接触力学领域所作出的贡献不应该被他在电磁学领域杰出的成就而忽视。
赫兹的主要贡献是用实验证明了电磁波的存在，并测出电磁波传播的速度跟光速相同，还进一步观察到电磁波具有聚焦、直进性、反射、折射和偏振等性质。
(1)赫兹证明电磁波存在的实验
赫兹是亥姆霍兹的学生，在老师的影响和要求下，他深入研究了电磁理论。1879年，德国柏林科学院悬奖征解，向当时科学界征求对麦克斯韦电磁理论进行实验验证，促使年轻的赫兹萌发了进行电磁波实验的雄心壮志。
赫兹的实验装置一部分如。AA′是两块40厘米见方的铜板，焊上直径0.5厘米，长70厘米的铜棒，头上各接一小铜球，相对放置，球中间留有空隙约0.75厘米。铜球表面仔细磨光，两棒分别接到感应圈的两端，当通电时，两棒之间产生放电，形成振荡。 再取2毫米粗的铜棒做成圆环，半径为35厘米，如中的B。圆环的空隙f，宽度可用精密螺旋调节，从零点几毫米调到几毫米。当放在适当位置时，f间隙会跟随AA′产生火花放电，火花可长达6-7毫米。B环可围绕平行于AA′面的法线mn旋转，旋转到不同位置，f放电的火花长度不一样。当f处于a或a′时，完全没有火花；转动些许角度，开始会产生火花；转至b或b′时，火花最大。
(2)赫兹测出电磁波速度
赫兹最有说服力的实验是直接测出电磁波的传播速度。他用的装置如下：导体AA′（赫兹称之为原导体）在感应圈的激励下产生电磁波。AA′平面与地板垂直，在图中赫兹标了一条基线rs，下面是距离标记从离AA′中心点45厘米处计程。
实验在一间15×14米的大教室进行，在基线的12米内无任何家具。整个房间遮黑，以便观察放电火花。次回路就是那个半径为35厘米的圆环C或边长60厘米的方形导线框B。
根据麦克斯韦理论，已经知道这个速度大概是每秒3万公里，要直接测这样的速度是十分困难的。赫兹想起了20年前他的老师昆特(Kundt)用驻波测声速的方法，巧妙地设计了一个方案。他在教室的墙壁上贴了一张4米高，2米宽的锌箔，并将锌箔与墙上所有的煤气管道、水管等联接，使电磁波在墙壁遭遇反射。前进波和反射波叠加的结果就会组成驻波，。根据波动理论，驻波的节距等于半波长，测出节点的位置就可以知道波长。 赫兹沿基线rs移动探测线圈，果然在不同的位置上火花隙的长度不一样。有的地方最强，这是波腹；有的地方最弱，甚至没有火花，这是波节。
根据电容器的振荡理论赫兹算得电磁振荡的周期。从光速就是电磁波的速度的假设和测得的波长也可算出周期，两者相差大约10%，赫兹证实了电磁波的速度就是光速。
(3)观察到电磁波有聚焦、直进、反射、折射和偏振现象
为了进一步考察电磁波的性质，赫兹又设计了一系列实验，其中有聚焦、直进性、反射、折射和偏振。他用2米长的锌板弯成抛物柱面形，，柱面的焦距大约为12.5厘米。他把发射振子和接收振子分别安在两块柱面的焦线上，调整感应圈使发射振子产生电火花。当两柱面正好面对时，接收振子也会发出火花；位置离开就不产生效果，由此证明电磁波和光波一样也有聚焦和直进性的性质。赫兹还用1.5米高重500千克的大块沥青做成三棱镜，让电磁波通过，和光一样电磁波也发生折射。他测得最小偏向角为22°，三棱镜的顶角是30°，由此算出沥青对电磁波的折射率是1.69。他还用"金属栅"显示了电磁波的偏振性。
在1888年12月13日向柏林科学院作了题为《论电辐射》的报告，他以充分的实验证据全面证实了电磁波和光波的同一性。他写道："我认为这些实验有力地铲除了对光、辐射热和电磁波动之间的同一性的任何怀疑"。
二、发现电子与原子的碰撞规律赫兹科学研究中最出色的工作是他与弗兰克合作的著名实验，通过这一实验证明了当原子受到电子的冲击激发而发射谱线时，所需要的能量是分立的。这一先驱性的工作，给玻尔的原子量子化模型以决定性的支持。因这一重要发现，赫兹与弗兰克共获1925年度的诺贝尔物理学奖。
