物理学家:惠更斯(惠更斯原理)

克里斯蒂安·海根(1629-1695)，荷兰物理学家、数学家和天文学家。1629年生于海牙。他于1655年获得法学博士学位。1663年，他成为伦敦皇家学会的第一个外国会员。克里斯蒂安·惠更斯是牛顿时代的科学家，也是历史上最著名的物理学家之一。他对力学的发展和光学的研究做出了杰出的贡献，在数学和天文学方面取得了杰出的成就，是现代自然科学的重要先驱。惠更斯于1629年4月14日出生在海牙的一个富裕家庭。他的父亲是一位杰出的诗人和外交家。惠更斯从小就喜欢学习知识，并在数学和力学方面跟随他的父亲。16点，惠更斯进入莱顿大学，后来转到布雷达大学学习法律和数学。自1650年以来，惠更斯开始研究光学，并对天文观测感兴趣。1655年获得法学博士学位后，惠更斯转而从事科学研究。他先后访问了伦敦和巴黎，在巴黎赢得了普遍的尊重。1663年，惠更斯成为英国皇家学会的第一位外国会员，并被巴黎科学院接纳为唯一的外国院士。在伦敦和巴黎时，惠更斯遇到了当时许多著名的科学家，包括牛顿和莱布尼茨。他在巴黎生活的第15年，法国和荷兰之间爆发了一场战争。惠更斯不得不离开巴黎，回到他的家乡荷兰，过着孤独的晚年。惠更斯于1695年6月8日在海牙去世。钟摆的研究与应用钟摆的研究是惠更斯在物理学上最杰出的工作。几个世纪以来，时间测量一直是人类面临的一个难题。在那个时候，计时装置，如太阳计和沙漏，原则上不能保持精确。直到伽利略发现了钟摆的等时性，惠更斯将钟摆应用于计时器，人类才进入了计时的新时代。当时，惠更斯的兴趣集中在天体的观测上。在实验中，他深刻认识到精确计时的重要性，因此他致力于精确计时的研究。伽利略曾证明单摆的运动类似于物体在光滑斜坡上的滑动，运动状态与其位置有关。惠更斯进一步证实了钟摆振动的等时性，并将其应用于计时器，制造了世界上第一个计时钟摆。这个摆钟是由不同大小和形状的齿轮组成的。它使用重锤作为单摆的钟摆。因为钟摆可以调节，所以计时更准确。惠更斯在他后来关于钟摆的著作中详细介绍了钟摆自鸣钟的制作过程，还分析了钟摆的摆动过程和特点，并首次引入了“摆动中心”的概念。他指出，当任何形状的物体在重力的作用下绕水平轴摆动时，其质量可被视为集中在连接悬点和重心的直线上的某一点，从而将复杂物体的摆动简化为简单的单摆运动。惠更斯在他的钟摆理论中也给出了他关于所谓“离心力”的基本命题。他提出，在圆周上运动的物体有飞离中心的趋势，它对中心施加的离心力与速度的平方成正比，与运动半径成反比。这也是他对伽利略摇摆理论的扩展。在研制钟摆时，惠更斯进一步研究了钟摆的运动。他制作了第二个钟摆(周期为2秒的钟摆)，并推导出钟摆的运动公式。当钟摆长度精确到3.0565英尺时，他计算出重力加速度为9.8米/秒2。该值与我们现在使用的值完全相同。后来，惠更斯和胡克还发现了螺旋弹簧丝的等时振荡，这为现代游丝怀表和手表的发明创造了条件。光的波动说，在古代和中世纪的漫长岁月里，光是哲学家和自然科学家非常关心的问题。到17世纪，科学家们通过出色的实验工作研究了光学现象，奠定了现代物理学的基础。在此期间，有一场关于光的本质的讨论。惠更斯在巴黎工作期间致力于光学研究。1678年，他在法国科学院发表的演讲中公开反对牛顿的光粒子理论。他说如果光是微粒，光在穿越时会因碰撞而改变方向。然而，当时人们并没有发现这种现象，用粒子理论来解释折射现象会得到与现实相矛盾的结果。因此，惠更斯在1690年出版的《光论》一书中正式提出了光涨落理论，并建立了著名的惠更斯原理。根据这一原理，他推下了光的反射和折射定律，令人满意地解释了光速在光密介质中降低的原因，也解释了光进入冰洲石所引起的双折射，认为这是由于冰洲石分子粒子的椭圆度。惠更斯原理是现代光学的重要基础理论。然而，虽然它能预测光的衍射现象的存在，但它不能解释这些现象，即它能确定光波的传播方向，但不能确定振动在不同方向上传播的幅度。因此，惠更斯原理是对光学现象的近似理解。直到后来，菲涅尔发展和补充了惠更斯的光学理论，并建立了“惠更斯-菲涅尔原理”，以更好地解释衍射现象，完成所有的光涨落理论。惠更斯的其他贡献惠更斯对天文学做出了巨大贡献。他在开发和改进光学仪器上投入了大量精力。当惠更斯还在荷兰的时候，他和他的兄弟成功地以前所未有的精度设计并抛光了望远镜的透镜，从而改进了开普勒望远镜。惠更斯用自己的望远镜进行了大量的天文观测。因此，他的奖励是解开天文学的一个长期谜团。伽利略曾经用望远镜观察过土星。他发现“土星有耳朵”，后来发现土星的“耳朵”已经消失了。伽利略之后的科学家也研究了这个问题，但他们没有得到要点。“土星的奇怪现象”已经成为天文学中的一个谜。当惠更斯把他改进的望远镜对准这颗行星时，他发现土星旁边有一个又薄又平的环，它非常倾向于地球公转的轨道平面。伽利略发现土星的耳朵消失了，因为土星的光环有时看起来是线性的。后来惠更斯发现了土星的卫星土卫六，还观察到了猎户座星云、火星极冠等。惠更斯在数学方面有杰出的天赋。早在22岁时，他就发表了计算圆的周长、椭圆弧和双曲线的著作。他研究了各种平面曲线，如悬链线、拖曳线、对数螺线等。，并在概率论和微积分方面取得了一些成就。1657年出版的《论赌博中的计算》是一篇关于概率论的科学论文，显示了他在数学方面的造诣。在力学研究中，惠更斯从伽利略创立的基础开始。《关于鸣钟》一书也讨论了碰撞问题。大约在1669年，惠更斯提出了一个解决碰撞问题的定律——“能量守恒原理”，成为了能量守恒的先驱。惠更斯继承并进一步研究了伽利略的单摆振动理论。他把几何学引入力学领域，用令人钦佩的方法处理力学问题，得到了人们的充分肯定。惠更斯和他的碰撞研究惠更斯是荷兰最著名的物理学家。他是英国皇家学会的第一位外国成员，也是法国科学院唯一的外国院士。他在物理、数学和天文学方面做出了巨大贡献，是现代自然科学的重要先驱之一。惠更斯对完全弹性碰撞做了相当详细的研究，并提出了自己的碰撞理论。他的理论基于以下三个假设(公理):(1)“一个运动的物体在不受阻碍的情况下将继续以恒定的速度沿着直线运动。”(2)“质量相同的两个物体以相同的速度相互碰撞后，以相同的速度向相反的方向运动。”(3)“物体的运动和它们的速度必须被认为是相对于我们认为是静止的其他物体而言的，并且没有必要考虑这些物体是否也参与其他共同的运动。因此，当两个物体碰撞时，即使它们同时参与另一个匀速运动，在也有这种共同运动的观察者看来，这两个物体之间的相互作用就好像没有这种共同运动一样。”根据这些假设，惠更斯断言，质量相同且以相同速度相向运动的两个物体将保持碰撞前的速度，并在刚性向心碰撞后相互反弹。这一结论已被实验证实。惠更斯进一步研究了相同质量的两个物体以不同速度相互碰撞的情况。在这里，他创造性地应用了相对论原理:想象一个人在一艘船上以匀速运动，使用两个相同的钢球进行碰撞实验。对船来说，两个球以相同的速度相互碰撞。根据假设(3)，船上的人看到的是上面提到的那种最简单的碰撞。碰撞后(对船而言)，两个球将保持碰撞前的速度，并被弹开。对于站在岸上的人来说，这两个球以不同的速度(V+U)和(V-U)相互碰撞。碰撞后，两个球的速度分别变成(V-U)和(V+U)。因此，可以得出这样的结论:在两个相同的球以不同的速度相互碰撞后，它们将相互交换速度。惠更斯还指出，这种情况的一个特殊情况是:静止的球与质量相同的运动球碰撞后，后者立即停止，而原来静止的球获得了这一速度。最常见的情况是两个质量不同、移动速度不同的刚性球向心碰撞。惠更斯从一个特殊情况开始，即两个球的速度V1和V2与它们的质量M1和M2成反比，并再次使用假设(3)来获得最一般情况下碰撞后的速度。特别值得指出的是，惠更斯在碰撞过程的研究中获得了许多重要的力学运动原理。他认为:“两个物体在碰撞中的运动量可以增加或减少，但是如果减去相反方向的运动量，它们在相同方向上的值之和保持不变。”他还指出:“在碰撞前后，两个、三个或任何数量的物体的共同重心总是在同一方向上匀速直线运动。”这是动量守恒定律的完美表达。惠更斯不仅看到了动量值的变化，还强调了方向的问题。事实上，他在物理学中引入了适量的概念，从而为牛顿运动定律的形成和适量力学的建立准备了概念。这是物理学的一大进步。在另一个定理中，惠更斯认为:“在两个物体的碰撞中，碰撞前后它们质量的乘积和它们速度的平方之和保持不变。”这是在完全弹性碰撞中机械能守恒定律的具体表达，后来在很长一段时间里被称为“能量守恒”。碰撞问题的研究和动量守恒原理的发现为作用和反作用的建立创造了一定的条件，从而完成了伽利略以来建立力学系统的基础工作。惠更斯的论文《碰撞下物体的运动》当时没有发表，手稿是在他1703年去世后才被发现的。他的重要贡献包括:(1)建立了光涨落理论，打破了当时流行的光粒子理论，提出了光波在介质中传播的惠更斯原理。(2)1673年，他解决了物理摆的摆心问题，测量了重力加速度值，改进了摆钟，得到了离心力公式，并发明了千分尺。(3)他首先发现了双折射光束的偏振，并用涨落的观点解释了这一现象。(4)在天文学方面，他自己设计和制造的望远镜在1665年发现了土星的卫星土卫六，并观测到了土星的光环。惠更斯的主要著作是《论光》，出版于1690年，共22卷。