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[请教，讨论] 电磁学的实验再检验（13）：判定实验原理（1）：磁感应强度 B 是矢量吗？

磁感应强度： magnetic induction

矢量： vector

磁通量： magnetic flux

感生电动势： induced electromotive force

全同粒子： identical particles

玻尔对应原理： Bohr correspondence principle

   由于初步的实体物理实验基本上否定了费曼的电容器充电经典电磁理论解释，接下来的问题，就是“判定”用数学上的矢量，是不是可以充分描述磁场、电场的物理性质？

   因为“理论是不可能推翻实验的。”（丁肇中），以及“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。 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.”（爱因斯坦）

   所以，继续思考进一步的实体物理判定实验。

一、实验目的：判定用矢量描述“磁感应强度”的精度

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=38947&Type=bkzyb&SubID=61933

   磁感应强度是一个矢量，用符号B表示。它是通过磁场对运动电荷或电流所施的力来定义的。速度为v的点电荷q在磁场中受的力f可表示为f=qv×B，式中B即为磁感应强度。

   根据1831年的法拉第发现的电磁感应定律：当穿过导电回路所限定曲面的磁通量发生变化时，在该导电回路中就会产生感应电动势e及感应电流。

二、判定实验原理

2.1  实体物理判定实验依赖的前提/假设

   （1）接受“相对论原理”：

   具体些，下面“外部大线圈旋转、小线圈静止”，与“外部大线圈静止、小线圈运动”，具有完全相同的物理相互作用。

   （2）接受法拉第的电磁感应定律。

   牛顿说“我从不做假设。 Hypotheses non fingo, I feign no hypotheses.” 而倒霉的傻，发现“用符号来表示知识，每推导一步公式，都会实质性地、隐含地引入一个新的假设，作为推导结果的“新公式”就会偏离“原来那个公式”的本意。”除了痛哭流涕，傻还能做什么？

   在均匀磁场里，闭合线圈匀速（速率）运动，线圈是否会产生感生电势？

   前思后想，“抽真空”怕是躲不过了。

2.2  一个可能的判定实验原理

图1  判定实验核心结构示意图，其余细节一概略去

   电磁屏蔽室内。

   外部大线圈（深蓝色）匀速转动。

   静止的内部封闭空间，里面安置小的多圈线圈并串联电压表（蓝色小圆圈），用于测量“感生电势”。

   当激发磁场的大线圈转动时，对实验观察者静止的小线圈包围的磁通量按照浅红色轨道做“相对运动”。尽管大线圈不能产生绝对均匀的磁场，但在理想情况下“小线圈”内的“磁通量”不随位置变化。即，小线圈无感生电势。

   小线圈的“感生电势”，与大线圈偏离正圆的程度，各线圈导线材料的缺陷，量子涨落等有关。实验前，只有这个量子涨落可以预先进行理论估计。

   （1）在大线圈静止情况下，测量静止小线圈的感生电势。实际上是分析误差用的背景资料。

   （2）大线圈旋转（但励磁电流=0，短路接法），测量静止小线圈的感生电势。实际上是分析误差用的背景资料。

   （3）大线圈旋转，直流电流源（恒流源）给大线圈供电。

   （4）大线圈旋转（反向），直流电流源（恒流源）给大线圈供电。

   （5）以上3步里，大线圈旋转采用多个不同转速；且转速反向。励磁电流采用多个不同数值，并改变电流方向。

   （6）低频正弦交流电（恒流源）给大线圈供电。大线圈顺时针、逆时针旋转。多个转速。励磁电流采用多个不同数值。

2.3  一些相关说明

   （1）“电磁学的实验再检验”，目前大体上类似拉姆齐(Sir William Ramsay, 1852-10-02 ~ 1916-07-23)发现惰性气体（noble gases）“neon, argon, krypton, xenon, 氖、氩、氪、氙”；又像密立根油滴实验（Millikan's oil-drop experiment），似乎没有什么其它可以参照的直接知识。因为处在真正的原初的“原始创新”阶段，真正的“源头和底层”。

   （2）哥白尼、达尔文，当初也是类似这种原初的“没有什么其它可以参照的直接知识”情况吧？

   牛顿、爱因斯坦，都是捡了大便宜的幸运儿！

   牛顿有伽利略、开普勒等人的相对充分的基础；

   爱因斯坦有“斐索实验 Fizeau experiment”等，

   所以，牛顿、爱因斯坦，以及麦克斯韦，门捷列夫等都是“集大成”式的大综合。哥白尼、达尔文、开普勒，才是现在常说的真正原初的“0到1”。

   当然，也可以认为牛顿力学、爱因斯坦的相对论、麦克斯韦经典电磁理论、门捷列夫的化学元素周期表，也是另一种“集大成”方式的“0到1”。

   （3）并不主张马上进行上面的判定实验。

   以坡印廷矢量（Poynting vector）的适用性判定为例，尽管人类早就发现该矢量可能的局限性，如《中国大百科全书》词条“坡印廷矢量/Poynting vector”里说：“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。”但直接用电阻进行实验判定，实验比较麻烦。

   改用“费曼电容器充电”的电压波形观察，明显降低了判定实验的难度，从而提高了判定结果的可靠性。并且还可以借用大明星费曼的流量！并增加大明星费曼的流量！

   上面的判定实验建议，很可能不是“最准确、最方便、最可靠”的，仍然需要进一步探索更好的判定实验方案。尽管如此，相比以前的概念性判断，还是向具体的实体实验装置靠近了一步。

三、此判定实验，关联“量子力学”里的“全同粒子 identical particles”假设

   如果“全同粒子”假设真正成立，上述实验中小线圈内的磁通量不变，即：无感生电势。至多是量子涨落产生的“噪声”电势等。

   “全同粒子”假设，与“磁力线（magnetic force line）本身无记号（ID）”具有一定的对应性（correspondence）。

参考资料：

[1] 2022-01-20，磁感应强度/magnetic induction/陈熙谋，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=38947&Type=bkzyb&SubID=61933

[2] 2024-01-13，电磁感应定律/law of electromagnetic induction/于歆杰，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=398438&Type=bkzyb&SubID=134116

[3] 2022-01-20，全同粒子/identical particles/曾谨言，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=215678&Type=bkzyb&SubID=146671

[4] 2022-06-08，密立根油滴实验/Millikan's oil-drop experiment/陈熙谋，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=38944&Type=bkzyb&SubID=61924

[5] 2023-05-05，稀有气体/rare gas/车云霞撰，江海龙修订，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=298835&Type=bkzyb&SubID=120319

[6] Sir William Ramsay, British chemist, britannica

https://www.britannica.com/biography/William-Ramsay

[7] 2022-01-20，玻尔对应原理/Bohr correspondence principle/杨玉军，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=134364&Type=bkzyb&SubID=96959

   丹麦物理学家N.玻尔1920年提出的，在经典极限（大量子数极限）下，量子物理与经典物理的对应原理。

   玻尔对应原理认为，经典物理（经典力学与麦克斯韦电磁理论）对宏观现象描述准确，所以在经典极限下，量子物理对于物理系统所给出的预测应该符合经典物理的预测。其具体内容为：

   ①任何一个物理系统的量子理论计算结果，在所有细节上都必定对应于经典结论。当系统量子态的量子数非常大时，量子理论的计算结果必定与经典结论相同。

   ②任何一个物理系统的量子理论选择定则，在其经典极限（大量子数）情况下也必须与经典结论一致。

[8] 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  

   电场强度为E、磁场强度H为的空间里，电磁场能流密度矢量为： S =E×H

   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。

[9] 2022-01-20，磁场强度/magnetic field strength/陈熙谋，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=31197&Type=bkzyb&SubID=61933

   磁场强度通常用H表示，定义为：

   H = B/μ₀ - M

式中B为磁感应强度；M是介质的磁化强度；μ₀ = 4π×10-7 亨[利]/米是真空磁导率。

[10] 2022-01-20，磁化强度/magnetization/陈熙谋，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=31219&Type=bkzyb&SubID=61941

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

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

https://www.feynmanlectures.caltech.edu/img/FLP_II/f27-03/f27-03_tc_big.svgz

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

相关链接：

[1] 2023-07-26，[讨论] 电磁学的实验再检验（10）：“磁力线 magnetic force line”本身带有记号（ID）吗？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1396755.html

[2] 2021-10-11，[请教] 磁力线本身带有记号（ID）吗？电场里的电场线呢？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1307583.html

[3] 2021-12-22，2021-12-22，[困惑] 数学上的矢量，不足以充分描述物理学里的磁场性质？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1317676.html

[4] 2016-10-13，[讨论] 电磁学（物理学）的基础：磁场的起因

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1008502.html

[5] 2023-07-22，[请教] 电磁学的实验再检验（6）：“电力线 electric field lines”本身带有记号（ID）吗？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1396267.html

[6] 2024-05-14，[请教，讨论] 电磁学的实验再检验（12）：为什么要“最直接”地再测量？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1434112.html

[7] 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

[8] 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-107667-1396886.html

[9] 2024-5-17，[小资料，笔记，讨论] 电磁屏蔽

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1434568.html

[10] 2024-03-19，[打听] 哪里有 1851 年“斐索实验 Fizeau experiment”的权威的主流的资料？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1426002.html

[11] 2024-03-18，[打听] 哪里有“迈克尔逊－莫雷实验 Michelson-Morley experiment”的权威的主流的资料？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1425835.html

[12] 2023-10-26，[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

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1407363.html

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