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[最主流，实体的物理实验波形] “费曼电容器充电”的电压波形观察

坡印廷矢量： Poynting vector

费曼物理学讲义： The Feynman Lectures on Physics

电容器： capacitor

充电： charging

电线： wire

缝隙的边缘： edges of the gap

电磁屏蔽： electro-magnetic shielding, electromagnetic shielding

本文的要点：

没有发现电磁屏蔽引起电容器电压波形的明显变化。

一、 用实体物理实验判定坡印廷矢量（Poynting vector）的原因

   物理学电磁学中坡印廷矢量（Poynting vector）是电磁场中的能流密度矢量。“能量是通过电磁场传输的。电磁场的能量储存在电磁场中。按照这种观点，即使在直流电路情形下，电源中的能量也不是通过电路中的电流传输到负载电阻去的，而是以电路周围电磁场能流的形式传输到负载电阻去的。在交流电路中，在各种电磁耦合的器件中，在电磁波的传播以及电磁辐射中，能量无一不是通过电磁场能流的形式传输的。”^[1] 

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=141060&Type=bkzyb&SubID=61956

   在《The Feynman Lectures on Physics》 Volume II (mainly electromagnetism and matter) 的 27 Field Energy and Field Momentum 里^[2]，费曼写到：

   But it tells us a peculiar thing: that when we are charging a capacitor, the energy is not coming down the wires; it is coming in through the edges of the gap. That’s what this theory says!

   How can that be? That’s not an easy question, but here is one way of thinking about it. Suppose that we had some charges above and below the capacitor and far away. When the charges are far away, there is a weak but enormously spread-out field that surrounds the capacitor. (See Fig. 27–4.) Then, as the charges come together, the field gets stronger nearer to the capacitor. So the field energy which is way out moves toward the capacitor and eventually ends up between the plates.

   【机器翻译】但它告诉我们一件奇怪的事：当我们给电容器充电时，能量并没有从电线上下来；它是从缝隙的边缘进来的。这就是这个理论所说的！

   怎么可能呢？这不是一个容易的问题，但这里有一种思考方法。假设我们在电容器上方和下方以及远处有一些电荷。当电荷远离时，电容器周围会有一个微弱但分布极广的电场。（见图27-4。）然后，当电荷聚集在一起时，电场在靠近电容器的地方变得更强。因此，向外的场能量向电容器移动，最终在极板之间结束。

图1  费曼 Fig. 27–4.The fields outside a capacitor when it is being charged by bringing two charges from a large distance.

图27-4. 当电容器充电时，相当于是由两个遥远电荷的电场进行充电的。

https://www.feynmanlectures.caltech.edu/img/FLP_II/f27-04/f27-04_tc_big.svgz

https://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_27.html

感谢有关老师们！

   俺的偶像爱因斯坦（Albert Einstein）1933-06-10 在the Herbert Spencer lecture at Oxford 《On the Method of Theoretical Physics 关于理论物理学的方法》里说: “Pure logical thinking cannot yield us any knowledge of the empirical world; all knowledge of reality starts from experience and ends in it. Propositions arrived at purely by logical means are completely empty as regards reality. Because Galileo saw this, and particularly because he drummed it into the scientific world, he is the father of physics —— indeed of modern science altogether. 纯粹的逻辑思维不能给我们任何关于经验世界的知识；一切关于实在的知识，都是从经验开始，又终结于经验。就现实而言，纯粹通过逻辑手段得出的主张是完全空白的。由于伽利略看到了这一点，特别是因为他将其强力引入了科学界，因此他是物理学的父亲 —— 完全代表了现代科学。”

https://www.journals.uchicago.edu/doi/pdf/10.1086/286316

https://www.jstor.org/stable/184387

二、一组实体物理实验的对照波形

   这是一个普通的实体物理实验。信号发生器产生方波，电阻器 R = 4.7 kΩ、电容器 C = 0.1 μF 串联联结；RC 两端施加方波电压。用示波器同时观察“方波”、“电容器”上面的电压波形。分种 2 情况：电容器不屏蔽，电容器“被屏蔽”。采用普通的铁皮盒子来屏蔽电磁场。

   在不同的方波频率下，观察电容器电压波形（电容器不屏蔽、被屏蔽后）。其中方波频率  100Hz 时的电容器电压波形如下：

图2  下面蓝色曲线是电容器被屏蔽前后的电压波形，方波频率 100 Hz

没有发现电磁屏蔽明显影响电容器的充放电电压波形。

没有观察到电磁屏蔽明显阻碍电容器充电的实体物理实验现象。

   请不要给上面的实体物理实验挑毛病了，这只是一个原理性的初步实体实验判定。

   “与其诅咒黑暗，不如点亮一支蜡烛。”

   请自己动手，在自己的实验室里重复上面的实体实验吧！

   请自行设计、实施更好的实体物理判定实验吧！

参考资料：

[1] 2022-12-23，坡印廷矢量/Poynting vector/陈熙谋、陈晓林，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=141060&Type=bkzyb&SubID=61956

   按照这种观点，即使在直流电路情形下，电源中的能量也不是通过电路中的电流传输到负载电阻去的，而是以电路周围电磁场能流的形式传输到负载电阻去的。

[2] The Feynman Lectures on Physics, Volume IImainly electromagnetism and matter, 27 Field Energy and Field Momentum

https://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_27.html  

[3] Richard P. Feynman, The Nobel Prize in Physics 1965

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1965/feynman/facts/

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1965/summary/

[4] Richard Phillips Feynman, MacTutor History of Mathematics Archive

https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Feynman/

[5] Poynting vector, physics, britannica

https://www.britannica.com/science/Poynting-vector  

[6] Albert Einstein. On the Method of Theoretical Physics.

https://www.journals.uchicago.edu/doi/pdf/10.1086/286316

https://www.jstor.org/stable/184387  

[7] 世界科学译刊编辑部. 从历史角度看四种相互作用的统一（根据杨振宁博士1978年7月6日在上海物理学会的演讲整理）[J]. 世界科学译刊， 1979, (01): 1-13.

https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-SJKE197901000.htm

   “不过，我曾经把库仑的文章拿来看了一看，发现他写出的那个公式同实验的误差达到30％以上。估计他所以写这个公式，一部分是猜出来的，猜测的道理是因为他已经知道了牛顿的公式。我所以要和大家讲这一点，是因为在所有物理和数学的最前沿的研究工作，很大一部分力量要化在猜想上。在别的方面可能也是这样，不过我不太熟悉罢了。当然这并不是说可以乱猜，猜必须建筑在过去的一些知识上面，你过去的知识愈正确愈广泛，那么猜到正确答案的可能性就愈大。”

[8] [美国] 杨振宁, 译者: 杨振玉等. 基本粒子及其相互作用[M]. 长沙: 湖南教育出版社, 1999-08.

[9] 2023-04-04，场/field/苏湛，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=318232&Type=bkzyb&SubID=137837

   一个场可以被直观地理解为一片具有某种内禀属性的空间区域，这种属性可以通过空间对放入其中的粒子的作用得到检测，并被表示为张量，空间的每个点都对应着一个张量。从另一个角度上，也可以将场理解为一个标记空间自身性质的物理量。

   20世纪20年代，英国物理学家P.狄拉克建立了狭义相对论化的量子力学，即量子场论，并用电磁场的量子化解释了原子的自发辐射。此后，物理学家们逐渐意识到，所有粒子都可以被理解为某一种场的量子化，从而将场提升为自然界最基本的实体之一。这一研究思路后来发展出所谓的粒子物理“标准模型”。“场的质量”也在这一意义上开始被讨论。

[10] 2023-06-06，场方程/field equation/何祚庥，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=323276&Type=bkzyb&SubID=105134

   场和粒子是统一的物质的两种不同表现形式。场反映着物质的连续特性，粒子反映着物质的不连续特性。由于场和粒子的统一联系，使得场和粒子都由同一的相对论的方程所描述，相对论的粒子方程就是场方程。（见量子场论、场的量子化）

   后来发现狄拉克方程既能用来描写电子又能描写正电子，实验上又发现了正负电子对可转化为光子，光子转化为正负电子对的事实，这就导致提出“电子也是场”这个观念。

[11] 2022-01-20，真空/vacuum/余宏伟，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=59574&Type=bkzyb&SubID=62049

   本义虚空，即一无所有的空间。量子场论认为场是物质的基本存在形式，每种粒子都有相对应的场。真空为场能量最低的状态（基态），而粒子是场的激发态。

   但一般真空涨落的改变会导致可观测的物理效应，其中著名的例子包括卡西米尔效应、原子的兰姆移动等，这些效应都已被精密的实验所验证。

相关链接：

[1] 杨正瓴，2023-07-13，[最主流] 电磁学的实验再检验（1）：坡印廷矢量（Poynting vector）只是一种数学抽象？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1395225.html

[2] 杨正瓴，2023-07-28，[重复就是力量] 判定实验：“费曼电容器充电”与“坡印廷矢量 Poynting vector”

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1397039.html  

[3] 2023-07-27，[阶段小总结，要点，小结] “电磁学的实验再检验”相关博文要点

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1396886.html

[4] 2020-07-22，羡慕居里夫妇当初的科研条件

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1243092.html  

[5] 2023-07-12，[惊悚、惊喜] 原来我才是“最主流”：反思麦克斯韦经典电磁理论

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1395113.html  

[6] 2023-07-14，“电磁学的实验再检验”：经典电磁学实验当代再检验的起因、意义要点

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1395251.html

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