1. 避雷针富兰克林励志故事
现代避雷针是美国科学家富兰克林发明的。
富兰克林认为闪电是一种放电现象。为了证明这一点,他在1752年7月的一个雷雨天,冒着被雷击的危险,将一个系着长长金属导线的风筝放飞进雷雨云中,在金属线末端拴了一串银钥匙。当雷电发生时,富兰克林手接近钥匙,钥匙上迸出一串电火花。
避雷针,又名防雷针,是用来保护建筑物、高大树木等避免雷击的装置。其原理是当雷云放电接近地面时,它使地面电场发生畸变,在避雷针的顶端,形成局部电场集中的空间,以引导雷电向避雷针放电,再通过接地引下线和接地装置将雷电流引入大地,从而使被保护物体免遭雷击。
2. 富兰克林与避雷针阅读理解
每天都有数百万次的闪电划过天空,过去数万年,人类已经无数次的目睹过这种现象了。地球的生命也很有可能源于闪电。在1952年,化学家哈罗德·乌里(Harold Urey)和他的研究生斯坦利·米勒(Stanley Miller)在实验室里证实了这个想法。当时,他们模拟了早期的生命环境并把它暴露在人造闪电下。令他们高兴的是,他们最终得到了由生命的基石也就是氨基酸组成的“原始汤”。根据社会生物学家爱德华·欧·威尔逊(Edward O Wilson)的说法,闪电甚至也在人类思维的进化中发挥了作用。威尔逊认为,当闪电在非洲大草原上燃烧大型动物时,将整具尸体都烧熟了,可以随时食用,人类的祖先从中获得了高蛋白、促进大脑发育的食物。同样的,闪电为我们祖先提供了可捕捉的火焰,以便家里的火能够一直燃烧。人类的哲学和文化正是在篝火周围(闪电使之成为可能)产生的。
早期的人类只看到了闪电的巨大力量,对它的电学性能及其对生命和进化的影响一无所知,他们认为闪电直接来源于诸神——其中最著名的是希腊主神宙斯,他从奥林匹斯山上扔下致命的雷电。北欧神话中有奥丁之子索尔,他那隆隆作响的战车车轮和魔法锤产生了雷鸣和闪电。其他文化,从日本到斯拉夫,也有类似的神灵。
这些早期的联想也许可以解释为什么闪电象征着大自然令人敬畏的力量以及创生。我们仍然被经典电影《弗兰肯斯坦》(1931)中的场景所吸引,在雷的轰鸣中疾驰的闪电使得由尸体组成的怪物(鲍里斯·卡洛夫[Boris Karloff]饰演)更强大。闪电也代表以眩目的速度传导的压倒性力量。军事徽章通常以闪电为特征,自第二次世界大战以来,全副武装的军用飞机被命名为闪电和霹雳。在那场战争中,纳粹称他们在欧洲发动的快速袭击为“闪电战”。他们把党卫军单位的首字母写成两个闪电的形状,进一步加强了象征意义。
“高压”标志仍然是可怕的闪电,但闪电也已成为电力的普遍象征,为我们服务。像我的智能手机这样的数字设备只使用很小的无害的电压,但手机在充电时会显示出一个小小的闪电。几十年来,电力行业一直用Reddy Kilowatt为自己做广告。Reddy Kilowat是一个简笔画的卡通形象,用闪电做成四肢,用灯泡做成鼻子。
闪电这种普遍存在的电现象在地球上存在了很长时间,但它的起源至今仍是个谜。“我们对宇宙中的奇异天体的了解与日俱增,但是具有讽刺意味的是,我们居然不了解距离我们头顶几英里的闪电的起源是什么”物理学家Joseph Dwyer和马丁在2014年的一篇该领域的综述中如是写道。更具讽刺意味的是,我们如今需要迫切的了解闪电是因为人类活动和气候变化在很大程度上加剧了闪电对全球的破坏。
人类从科学的角度观察闪电的故事可以追溯到公元前6世纪,希腊哲学家阿纳克西曼德将闪电和雷声归因于自然原因:火、风和云之间的碰撞。大约在公元前340年,亚里士多德同样断言“干呼气”——一种从地球上升起的可燃气体——引起雷声,然后燃烧产生闪电;他写道,我们会先看到闪电,因为“视觉比听觉快”。
直到18世纪科学家们开始用电火花进行实验,闪电产生的机制这一神秘的面纱才被揭开。这项工作让他们意识到闪电也是同样的现象——在云层和地面之间产生巨大的电火花。博学多才的本杰明·富兰克林(Benjamin Franklin)是第一个提出可以通过实验来验证这一点的人。1752年,他在费城进行了一次著名的实验,当时他把一只风筝扔进了雷雨中,并把线的一端握在一把金属钥匙上。当他的指关节靠近钥匙时,他看到并感觉到电火花。这一结果开启了闪电研究的新时代。
尽管富兰克林的研究在取得突破后仍在继续,但两个世纪之后,人们才对闪电有了新的重大发现。1960年,德裔美国物理学家海因茨-沃尔夫拉姆·卡塞米尔(Heinz-Wolfram Kasemir)提出,闪电始于云层中正电荷和负电荷区域之间形成的“引线”——空气中电流可以流动的通道。与从带电云到地面的火花这一简单而似乎已经确立的观点不同,卡塞米尔的观点意味着,我们所看到的闪电是通过一系列复杂的步骤产生的,因此他的观点一致得不到重视,直到上世纪80年代,飞机上的测量结果证实雷雨云内部和附近确实存在带正电荷和负电荷的区域。
当研究人员找到了确定闪电电压和电流的方法时,我们对闪电的了解有了进一步的加深,闪电中电流和电压的关系和我们日常的家用电器系统是类似的。但是,在数百万伏特和数千安培的情况下,这些闪电的能量比我们家用的电灯、冰箱和电视机所使用的110伏特和100到200安培的能量都要大好几个数量级。
物理学家学会了用高速摄像机来分析闪电的发展过程。研究人员通过向雷暴中发射拖着铜丝的火箭,人为地触发了闪电。来自美国雷暴发生率最高的佛罗里达州的国际闪电研究与测试中心的德怀尔、乌曼和其他科学家多年来已经检测了约400个触发闪电。
通过这些努力,研究人员了解到,当雷雨云中的冰晶在上升的气流中向上运动,遇到霰粒子(一种软冰雹),以及零度以下仍保持液态的过冷水时,就会产生闪电。相互作用在云的顶部和底部分别产生正电荷和负电荷,而在云的下方一般是正电荷区域。相反的电荷增长并相互吸引,直到它们之间的电场开始撕裂中间的空气,并且产生电流。这是卡塞米尔提出的“引线”,它可以发生在云中,云与云之间,或云到地面之间。
高速摄像机显示,最常见的雷击是由一系列“引线” (通常光线太暗,肉眼无法看到)以之字形将电子向下输送时发生的。接近地面时,电子与下面的正电荷相互作用,使空气完全能够携带电流。结果,来自云层的电子沿着“引线”们引导的同一条锯齿状的管道快速地跑向地面。这就是我们所感知到的闪电。电流将空气加热到3万摄氏度,这是太阳表面温度的5倍,发出耀眼的闪光,迅速膨胀的空气产生了雷声。其他的效应也会随之而来,但总是伴随着能杀死或伤害生物几千安培的电流,而且它们携带着足够的能量来燃烧或摧毁它所撞击的物体。
虽然我们可以大致地追溯闪电的发展过程,但是我们仍然对一些细节没有足够的认识。我们尚不清楚冰、过冷水和霰如何相互作用以分离正电荷和负电荷。另一个谜团是:从我们所知道的关于电的所有知识来看,在先导物形成之前,穿过正电荷和负电荷之间的空气间隙的数百万伏特的强电场是必要的。云层内部的测量表明,内部磁场从未达到这个水平——然而闪电还是发生了。这就是为什么德怀尔和乌曼认为闪电的诞生是大气科学中最大的谜团之一。
解决这些难题将具有实际意义,因为闪电正变得更具破坏性。富兰克林发明的避雷针可以将闪电的电流从建筑物上转移开,减轻了一些危险。但是在过去的几十年里,雷电造成的人员死亡、建筑物破坏、扰乱航空和电力系统、引发野火和森林火灾的可能性不断增加。这在很大程度上是由于人类活动导致的全球变暖和大气污染。这些会促进对流,即暖空气和水汽的上升,从而形成雷暴,从而产生更多的闪电。以色列的跨学科中心的大气科学家Yoav Yair指出另一个因素:人们在城市地区日益增长的密度——现在为55%,预计到2050年将达到68%,高楼大厦、空气污染使雷击的可能性更大。
这些变化的影响很大。例如,Yair指出,在东亚、南亚和东南亚,闪电对飞机航班造成的干扰是一个日益严重的问题。这一亚太地区包括一些易遭雷击的主要地区,其航空交通量正以每年近5%的速度增长。在另一个例子中,澳大利亚和美国的研究人员分析了澳大利亚、南非和南美洲或干旱或潮湿的生态系统中由闪电引发的火灾。本世纪,此类火灾的数量有所增加,科学家们将这一趋势与气候变化联系起来,认为这是因为雷击次数的增加并使得火焰更容易被点燃。
对于这些危险,我们的一种反应是跟踪闪电,这也有助于研究。闪电是一种强大的电磁辐射源,大部分频率低于500千赫(AM无线电频段从540千赫开始,这就是为什么闪电在AM刻度盘的底端产生静电)。在这个范围内工作的传感器可以快速地对远距离雷击的位置进行三角测量。例如,全球闪电定位网络(World Wide Lightning Location Network, WWLLN)使用了70多个放置在全世界各地的设备来跟踪闪电。
2017年,华盛顿大学(University of Washington)的乔尔·桑顿(Joel Thornton)及其同事利用WWLLN的数据发现,印度洋和中国南海两条繁忙的航道上空发生闪电的频率是邻近海域的两倍。研究人员推测,这种差异来自船只燃烧化石燃料时释放的气溶胶颗粒。这是大气污染增强闪电的有力证据。闪电定位系统还可以监测极端天气,保护机场的航班运行。2013年,一个定位系统为缺乏气象数据的菲律宾棉兰老岛确定了数百公里远的一场强台风的运行轨迹,
当闪电与大气中的氧气和氮气相互作用时,会产生其他红外波段的特征辐射。这种肉眼看不见的辐射可以从美国国家航空航天局(NASA)专门装备的太空卫星上探测到,这些卫星可以扫描地球的大部分区域。2016年,巴西圣保罗大学的Rachel Albrecht和她的同事对卫星数据进行了全面的分析。他们确定非洲和亚洲地区是闪电高度活跃的地点,委内瑞拉的马拉开波湖是地球上闪电最活跃的地区。由于它独特的气候和地形,平均每年产生297天的雷暴。该地区每年平均每平方公里产生233次闪电,而全球平均每平方公里产生6次闪电。我们最终的目标是将这些数据与闪电活动的模型结合起来,从而长期预测闪电将袭击的地点。
为了防雷,我们还需要知道一个典型的闪电的能量或功率。闪电和伴随而来的雷声是地球上常见的最亮的光和最大的声音,表明能量水平很高。另一个线索是闪电产生x射线和伽马射线。就像日内瓦附近欧洲核子研究中心的大型强子对撞机一样,人们认为这些现象的产生是因为伴随闪电而来的电场将基本粒子(这里指的是电子)加速至很高的能量,这些高能粒子产生x射线,并且引发核反应的伽马射线。
虽然很难测量闪电击中物体所传递的能量有多少,但一种研究“闪电化石”(lightning fossils)或fulgurites(闪电的拉丁语)的新方法给出了答案。当闪电将沙子、土壤或岩石加热到足以融化这种材料并将其变成玻璃时,就会产生这种现象。2016年,地球科学家马修·帕塞克(Matthew Pasek)和马克·赫斯特(Marc Hurst)分析了从佛罗里达州一个沙矿中回收的266个空心圆柱形fulgurites,这些fulgurites的长度从几厘米到一米多不等(已经发现了其他长达5米的fulgurites)。利用已知的将二氧化硅(沙子的主要成分)玻璃化所需要的热量,研究人员发现,闪电只花费了很小一部分能量就能将沙子变成玻璃。
然而,传输的功率取决于目标材料。2017年,宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)的陈江志(音译)和同事研究了花岗岩中的富尔古石,雷击会在它内部产生高压冲击波。在这里,研究人员发现,雷电会在几十微秒内以10万摄氏度的温度将岩石加热到2000摄氏度以上,融化后形成一层玻璃。这可与陨石撞击造成的毁灭性影响相提并论。进一步的研究将衡量其他材料的这些影响,并为设计适当的保护措施提供依据。
科学家们想知道,闪电蕴含的高能量具有巨大的破坏性,但是也有可能为人类提供免费的可再生能源。在马拉开波湖,在每年每平方公里233次闪电中,每一次可获得10亿瓦特的电能,就可以为20户居民提供电力。这将需要建立一个收集站网络来捕捉闪电,储存不定期到达的电涌,并根据需要向用户分发电力,这是一项复杂的工程项目,在经济上无法与其他能源竞争。但是,一旦我们了解了闪电的古老秘密——是什么触发了闪电——也许我们就能学会如何在闪电造成伤害之前就阻止它,以及如何把它集中在可以收集和使用它的能量的地方。
无论对普通闪电还有什么疑问,人们对球状闪电这种罕见而奇特的形式的了解就更少了。球状闪电是一种发光的球体,出现在雷击或雷暴附近,会在空中漂浮几秒钟。1638年的一位早期目击者描述了一个直径超过2米的火球进入英格兰德文郡的一座教堂,造成4人死亡,并毁坏了教堂。据报道,在现代还有成千上万的其他目击事件,人们看到球状闪电穿透玻璃,出现在封闭的金属飞机内。人们提出了许多假说来解释这一非凡的现象,但由于缺乏一定量数据,目前还没有明确的解释。
然而,在2012年,观察普通闪电的中国科学家幸运地看到,闪电对附近的地面撞击形成了一个发光的球。他们记录了照片和视频,以及球状闪电的第一个光谱,这个光谱中包含硅——土壤的主要成分。这一结果支持了2000年提出的一个理论,即雷击将地面上的硅转化为纳米颗粒形式的硅化合物时,就会产生球状闪电。引申到空气中,这些物质以相对较慢的速度氧化,产生一种独特而持久的发光源。这一假设尚未得到证实。
尽管这个谜团一直存在,但我们现有的知识已经帮助我们研究了其他有大气层的天体,比如木星。这颗行星显示出大量的闪电活动,旅行者1号宇宙飞船在1979年首次观测到这一现象,而且从2016年开始环绕木星运行的朱诺号宇宙飞船如今也观测到了这一现象。朱诺号已经探测到来自数百次闪电的无线电波,这些闪电据信是由水和冰的电荷分离产生的,就像在地球上一样。但是地球上的闪电在赤道附近最为密集,而木星上的闪电则集中在两极附近。这是了解木星上的水分布和行星大气动力的重要线索。
在土星上也观测到了大量闪电,它有自己活跃的大气层。令人惊讶的是,火星——其稀薄的二氧化碳大气中——也出现了闪电;但在那种干旱的环境中,这种“干闪电”并不依赖于大气中的水和冰。取而代之的,就像在地球上发生的一样,这些放电来自火星上常见的强沙尘暴携带的微小颗粒之间的摩擦。
火星闪电之所以吸引人,是因为这颗行星如果不是现在的外星生命存在的地方,也可能是过去的外星生命存在的地方。从2008年开始,NASA着陆器在火星土壤中发现了高氯酸盐——一种含有负离子ClO4-的化合物。这些引起了人们的注意,因为它们可以为可能生活在古火星上的某些微生物提供养料。高氯酸盐的含量比火星地质条件表现出的要多,这暗示着它们是由闪电形成的。现在,一个国际研究小组刚刚发现,在模拟火星环境下的放电会产生大量高氯酸盐,这对研究外星生命的进化具有重要意义。
这个实验是在一颗以一位古代神命名的行星进行的,它让我们想起了一个在神统治下的时代和1952年米勒-尤里(Miller-Urey)的实验,该实验首次寻求对生命起源的科学解释。闪电体现了人类从信仰神控制的宇宙到信仰我们可以掌握的自然世界的进化,其中的奥秘还有待解决。
3. 富兰克林造避雷针
富兰克林(Benjamin Franklin,1706-1790),美国科学家、发明家、政治家和社会活动家。
他首先将两种电荷定名为正电和负电;提出单流体说;提出电荷守恒原理;做了著名的费城风筝实验,统一了天电和地电;发明了避雷针。 富兰克林于1706年1月17日出生在美国马萨诸塞州波士顿市。他的父母都是英国移民,以制造蜡烛和肥皂为业。8岁时,富兰克林被送进学校,学习成绩优良。但是,由于他的兄弟姊妹众多(共10个,他排第八),父母收入不多,生活非常贫寒,10岁时便辍学了,从此再也没进学校学习过。
虽然富兰克林离开了学校,但他从没有放弃学习知识的机会,靠艰苦的自学,成为一名知识渊博的人。
富兰克林在他父亲的蜡烛肥皂店里工作了两年。他整天做剪烛芯、灌烛模、制肥皂、守店铺、打杂跑街等繁重的工作。但是,不管怎样劳累,工作之余都要抓紧时间自学,把他父亲的大部分藏书都读了一遍,并把自己所得的钱都花在买书上。
父亲看他那么喜欢书,便把富兰克林送到他当印刷所老板的哥哥处做学徒工。
年仅12岁的富兰克林就跟哥哥签订合同,规定学印刷手艺直到21岁。在这9年的学徒期间,除供给膳宿和衣服外,没有其它报酬,到最后一年,才能得到普通工人的最低工资。
富兰克林用了很短的时间就掌握了一定的印刷技术,成为哥哥的得力助手。
那时,他认识了几何书店的学徒和一些藏书爱好者,便晚间向人借书,彻夜阅读,第二天一早就送还。
人家知道他借书还得快,而且很爱护书,都喜欢借书给他。
他读的书很杂,从政论文、文学评论、散文,到算术、几何、英文文法等。
14岁时,他开始练习写作,并有多篇文章在报上发表。
1723年,17岁的富兰克林忍受不了哥哥对他经常的吹毛求疵和故意挑剔,独自一人到费城谋生,并在一家印刷所里当上了正式的印刷工人。
第二年,他又漂洋过海到伦敦闯荡,并结交了一些有名的人物。
1726年10月,富兰克林在好友的邀请下又回到费城,重操印刷旧业。
后来他在自传里对伦敦的这段生活做了简要的总结:「我就这样在伦敦大约住了18个月,大部分时间都辛勤地工作,除看戏和读书外,很少把时间花在自己身上…我结识了一些聪明智慧的人,跟他们交谈使我受益匪浅,并且我还读了许多书。」 1727年,富兰克林同几位好友共同创办了一个青年组织—「共进社」,帮助普通人进行自学。
这个活动引起青年们的极大兴趣,其它城市的青年人也相继建立了类似的组织,它存在几乎达40年之久。
几年后,富兰克林创办了自己的报纸—《宾夕法尼亚报》。
他精心编排,亲自撰文,所写的文章很受欢迎,再加上印刷精美,很快就在读者中树立了良好的形象。
这张报纸不但使他的个人声望大大提高,而且为他带来了可观的利润。
1733年,富兰克林开始学习外语。
他先后学会了法语、意大利语和西班牙语,这对他以后搞科学研究和从事外交活动都大有裨益。
1743年,他在费城创建了美国第一个科学团体「北美增进有用知识哲学会」,后来这个哲学会发展成为美国的首批大学之一—宾夕法尼亚大学。 从1746年,40岁的富兰克林对科学研究产生了浓厚的兴趣。
他涉猎的领域十分广泛,如气象学、生物学、地质学、化学、农学和数学等方面,而且都取得了不少成就。当然,最大的成就是在电学研究中取得的。
他总结出电荷有两类,正电和负电,并分别用「+」和「-」来表示。
他的这一重大发现,为定量研究电荷的性质打下了坚实的基础。 1788年,法国科学家库仑发现电荷间相互作用力的著名的「库仑定律」,就是从这一概念出发的。富兰克林进一步提出,电荷不能创生,也不能消灭,只能从一个物体转移到另一个物体,他说:「电不因摩擦玻璃管而创生,而只是从摩擦者转移到了玻璃管,摩擦者失去的电和玻璃管获得的电严格相同。」他的这段话,实际上就是提出了电荷守恒原理。 他还提出了「单流体」假说来解释电的本性问题。虽然他的解释并不完善,但他的理论还是给人们以有益的启示。富兰克林最精彩的杰作是1752年做的风筝实验,他冒着生命危险揭开了雷电现象的神秘面纱,证明天电和地电是一样的。 由于在科学研究上的辛勤劳动和辉煌成就,1753年英国皇家学会授予富兰克林科普利奖章。1754年他同时获得哈佛大学和耶鲁大学授予他的荣誉硕士学位,他为自己「这样没有上过大学的人分享了大学里的荣誉」感到万分荣幸。英国的爱丁堡大学、圣安德鲁大学和牛津大学都先后赠给他博士学位。1756年当选为英国皇家学会会员,1769年当选为美利坚哲学会会长,一直连任到他去世之日,1772年还当选为法兰西科学院的外国院士。 富兰克林之所以成为多方面发展的卓越的科学家,主要是由于他一贯坚持勤奋自学和刻苦钻研。同时,长期的劳动实践也为他提供了丰富的经验。 在美国独立战争期间,富兰克林积极参加反英斗争,并于1776年参加起草《独立宣言》。1776年一1785年出使法国,促成1778年法美同盟的缔结。 1787年5月到9月,美国在费城召开了制宪会议,制定美国宪法。81岁高龄的富兰克林虽然已经手足麻痹,身心不适,但他仍被选为制宪会议代表,参加起草了美国的宪法。他极力主张废除农奴制度,为解放黑奴做出了很大贡献。 1790年4月17日,富兰克林在费城与世长辞,享年84岁。出殡的那天,2万多人为他送葬,表达了人们对这位伟人的崇敬和爱戴。为了纪念富兰克林为电学发展做出的贡献,后人将厘米‧克‧秒制静电系电量的单位定名为「富兰克林」,1富兰克林=10/c库仑(c为光速)。 1745年,荷兰莱顿大学的物理学教授马森希罗克发明了莱顿瓶,使摩擦生成的电可以被储存起来,这在欧洲引起了巨大的轰动,不久便传到了美洲。40岁的富兰克林在波士顿看到一位英国学者用莱顿瓶做的实验,深深地被吸引住了。他写信给在英国伦敦的友人,不久就得到朋友赠送的一只莱顿瓶,便开始了对电现象的研究。 在富兰克林之前,人们对天上的雷电有一种恐惧感和神秘感,甚至许多人认为雷电是上帝发怒时而发出的吼声。富兰克林在用莱顿瓶做实验的过程中,面对着电火花的闪光和劈啪声,总是禁不住与天空的电闪雷鸣联系起来。他比较了 雷电和莱顿瓶放电,发现它们有许多共同之处:它们都发出相同的光色,有锯齿般的形状,能被金属、水或冰传导,能点燃易燃物,杀死动物,熔化金属,破坏磁性。有一次,他将几个莱顿瓶连接起来,准备用强电击杀一只火鸡,不料, 实验还未开始,他自己先碰到了莱顿瓶,结果当场被击昏过去。等他醒来之后,不失诙谐地说了一句:「好家伙,我本想电死一只火鸡,结果差一点电死一个傻瓜。」尽管电学实验很危险,富兰克林还是决定捕捉天电。 怎样捕捉天电呢?莱顿瓶是很合适的,因为它能储存电。问题是怎样能将天电引到莱顿瓶呢?用竹竿显然架不了多高,即使架在建筑物上,比起高高的天空也是太低矮了。富兰克林冥思苦想多日。突然,他的眼睛一亮,何不用风筝来引天电呢!于是,他和儿子威廉一起用两根很轻的杉木做成一个十字架,然后把一块丝绸的四个角扎在十字架的末端,这样就做成了一个大风筝。然后把一根很细的铁丝固定在十字架的直木条的顶上,使铁丝超出木架约20厘米,这样可以更好地引下天空中的电。铁丝末端与放风筝的丝线相连。 1752年7月的一天,美国费城的上空阴云密布。富兰克林知道,盼望多日的暴风雨就要来了。他喊上儿子威廉,拿止大风筝,包好莱顿瓶,跑到了离家不远的田野上。强风托着风筝扶摇直上,转眼就飞入云霄。随着一阵电闪雷鸣,大 辆倾盆而下。不一会儿,富兰克林父子俩的外衣便被淋湿后已经成为导线。为了防止将电引到自己身上,富兰克林用一块干绸巾包住拉风筝线的手,并且在风筝在线挂上一把铜钥匙准备引电用。 风筝穿进带有雷电的云层,闪电在风筝上闪烁,雷声隆隆。这时,富兰克林发现丝在线的毛毛头全都竖立了起来,他断定整个风筝带电了。当他感到扣风筝线的手有些麻木的感觉时,就把另一只手的手指靠近铜钥匙,顷刻之间,钥匙上射出一串串火花。 「哎哟!」富兰克林叫喊了一声,赶紧将手指抽回,无限的欢乐也像电流一样传遍他的全身。他喊起来:「威廉,我受到电击了!我们捕捉到了天电!」他顾不得危险,让儿子拿出来莱顿瓶,将铜钥匙栘近莱顿瓶的金属球,直接给莱顿瓶充了电。就这样,过去神秘而可怕的天电被富兰克林装进了瓶子。 事后,富兰克林用收集起来的天电做了一系列实验,结果证明它的性质与用起电机产生的电完全相同,天电只不过是剧烈的放电而已。 应该指出的是,富兰克林的风筝实验是很危险的,那次他没有出现意外,完全是侥幸。在富兰克林实验后的第二年,一个叫李赫曼的俄国人也学着富兰克林作这个实验,结果当场被电死了。弄清了天电的性质,富兰克林想起他平时用莱顿瓶做实验时,发现尖端更易放电的现象。他马上想到利用尖端放电原理将天空威力巨大的雷电引入地面,以避免建筑物遭雷击。 1760年,富兰克林在费城一座大楼上树起了一根避雷针,效果十分显著。费城各地竞相仿效,到1782年,全城已装了400根避雷针。教会起先反对装避雷针,说雷电是神表示的愤怒,不允许人们干涉它们的破坏力。但教会的反对 并起不了多大的作用,人们还是相信科学。据说过了100年,费城盖了一座教堂,教会也害怕遭雷击,去请教大发明家爱迪生要不要装避雷针,爱迪生不无讽刺地说:「雷电也有疏忽大意的时候,你们说要不要装?」结果该教堂还是装上了由富兰克林发明的避雷针。证明天电和地电是一样的
4. 富兰克林如何发明避雷针
1、避雷针发明者用风筝捕捉雷电。
2、现代避雷针是美国科学家本杰明·富兰克林于1752年7月的一个雷雨天中所发明的。
3、当时富兰克林用了一个捕捉雷电的风筝实验作试验。此风筝实验证实了他的推测理论,并发明了避雷针。
5. 富兰克林避雷针的故事
弗拉克林冒着生命的危险用有风筝进行了雷中带电的实验。他把风筝上面连接上一根线,金属线。另一头放在自己的手中,他的手中连接上一个灯泡。在雷电响响起时,灯泡亮了。他由此证明了雷中带电的原理。
6. 概括富兰克林发明避雷针的故事梗概
富兰克林是现代避雷针的发明者,他把一根数米长的细铁棒固定在高大建筑物的顶端,在铁棒与建筑物之间用绝缘体隔开。然后用一根导线与铁棒底端连接。再将导线引入地下。富兰克林把这种避雷装置称为避雷针。经过试用,果然能起避雷的作用。
避雷针在最初发明与推广应用时,收到了广大人民群众的欢迎,人们奔走相告,纷纷装上避雷针装置。但教会曾把它视为不祥之物,说是装上了富兰克林的这种东西,不但不能避雷,反而会引起上帝的震怒而遭到雷击,但是,在费城等地,拒绝安置避雷针的一些高大教堂在大雷雨中相继遭受雷击。而比教堂更高的建筑物由于已装上避雷针,在大雷雨中却安然无恙。
当然最后,主教与时俱进,找到了圣经里的依据。纷纷为自己的教堂装上了避雷针
7. 富兰克林与避雷针的短文答案
富兰克林42岁时,已经在印刷界大有斩获,并进一步醉心于电力实验,他想证明雷电和静电二者事实上是相同的.1749年在费城举行的各项实验,已经证实云和云之间,云与地面之间的雷电即是电力;但他仍执意想抓住“闪电”,他想由暴风雨中取得闪电,然后储存起来,让科学家能在地面进行普通的研究工作,于是他设计出一个在云际充电的实验方法:
在高塔尖端,装置一个大可容人的亭子和简单的电力站.在电力站中,架起一根铁杆,伸出亭外,高约20或30呎,尖端削尖.如果亭子能够维持干爽,亭子里即可安置一人.当云层变低,隐隐有暴风雨前兆,此时云际充满丰沛的电力和火花,铁杆即可汲取电力,供亭内的人使用.
富兰克林找出绝佳的绝缘方法:蜡,那块铁环上的物质.他甚至设计出工作人员离开隔离亭的方法,所以富兰克林的确了解游走的雷电所带来的危险性,而警告人们必须保护自己.
1751年,隔离亭子的实验法在伦敦出版了.法王路易十五鼓励宫中的科学家们完成这项实验,以证实富兰克林一向坚持的看法—雷电和地面电力是相似的!1752年5月10日,金.法兰柯斯.狄阿里巴(Jean Francois D’Alibard)在巴黎近郊18公里处的马利花园中的隔离桌上竖起40呎高,尾端尖耸的金属杆,风暴很快地笼罩这里,根据富兰克林的描写,杆旁小心地安置了一个人,不时地以手中绝缘的铁环汲取雷电和火花.
实验结果,将富兰克林捧成了英雄:云端取得电,被保存在玻璃和金属制成的大瓶中(称做莱登瓶),然后在各项实验中,当成普遍的电力随意使用,这又再次证实了富兰克林的天才!
1952年的夏天,富兰克林还不知道自己的实验已在欧洲大获全胜,他正试着在费城的基督教堂高耸的尖塔上竖起一根金属杆;他一心认为要汲取雷电,金属杆必须升至相当的高度,而教堂尖塔的架构却显得太低,富兰克林突然想到一个主意,那就是装设着铁杆的风筝.
富兰克林由两根木棍架成的十字,撑起了一大块丝缎的布面,这就是富兰克林传说中不朽的风筝!在风筝上端,系上尖细的铁丝,铁丝末端绑上一只金属钥匙.富兰克林操控风筝的部分,捆上秘密的绝缘体—丝缎带;在暴风雨即将来临之时,这个实验者和他的儿子,走入一片空旷的空地,搭起一个暂时性的挡雨棚,在风筝升起了相当的一段时间后,一朵雷云才渐渐逼近.以下是普里斯莱的叙述:
这朵云看起来有闪电的迹象,但却毫无动静地过去了;但就在他们开始对自己的发明感到灰心之时,他注意到几条细线在云间闪烁,然后有直立的迹象,像是经由指挥一般,一个接着一个相继出现!他震慑于这个景象,连忙伸出手,对准风筝在线的钥匙.这项创举终于完成了,富兰克林终于取得货真价实的雷电.
富兰克林继续汲取着天上的火花,并将它保存在莱登瓶中,但这里有个重点必须强调:雷电并没有击中风筝,其实这并非富兰克林的本意,富兰克林原本想要利用铁丝传导,在云间充电,等到电力充足之后,他再伸手,让电子经由他的身体导入地下.还好富兰克林幸运地逃过一劫,如果雷电真的击中风筝,他可能无法好端端的签下独立宣言并写下《理查德年鉴》了(Poor Richard’s Almanac).
富兰克林针对上述实验所做的报告发表于1752年10月19日的宾州会报之中,同一篇文章里,提及一篇文章《如何使居处免受雷电的袭击》,这篇文章后来登在1753年的《理查德年鉴》里.富兰克林笃信避雷针的功效,他在1751年开始大力推荐避雷针,而之后实验的成功,更让他对避雷针激起无比信心:他确信它的确能有效导引雷电,保护大众生命财产的安全.
这根针的目的,不只是用来引雷电而已,它能防患雷击于未然.这根针可以不停地汲取天空中的雷量,在它的强度大到足以形成雷电之前,即把电导引入地下,如同富兰克林的形容:“在云间电量积蓄到释放之际,便将雷电之火平静地消弭于无形.”
这次隔离亭和风筝实验的意义,不独是电子历史上的创举,它对美国的历史也非常的重要.这次实验中所发明的避雷针更在未来拯救了无数人的性命.