克里斯蒂安·惠更斯

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克里斯蒂安· 惠更斯 惠更斯： (ChristianHaygen， 1629—1695) 荷兰物理学家、数学家、天文学家。 1629年出生于海牙。1655年获得法学博 士学位。1663年成为伦敦皇家学会的第 一位外国会员。克里斯蒂安· 惠更斯 （Christian Huygens 1629-1695）是与 牛顿同一时代的科学家，是历史上最著 名的物理学家之一摆钟论，他对力学的发展和 光学的研究都有杰出的贡献，在数学和 天文学方面也有卓越的成就，是近代自 然科学的一位重要开拓者。 生平简介 惠更斯于1629年4月14日诞生于海牙的一个富豪之家。他的 父亲是一个杰出的诗人和外交家。惠更斯从小就喜欢钻研学问，跟随父亲学习了数学和力学。十六岁 时，惠更斯进入莱顿大学，后转到布 雷达大学学习法律和数学。1650年起， 惠更斯开始研究光学，同时对天文观 测产生了浓厚兴趣。1655年获得法学 博士学位后，惠更斯转入科学研究。 他先后访问了伦敦和巴黎，并在巴黎 获得了普遍的尊敬。1663年，惠更斯成为英国皇家学会第一个外国会员和并被巴 黎科学院接纳为唯一的一个外国院士。在伦敦和巴黎时，惠 更斯结识了许多当时著名的科学家，包括牛顿、莱布尼兹等。

在巴黎生活的第十五年，法国和荷兰之间爆发了战争，惠更 斯不得不离开巴黎，回到故乡荷兰，过着孤独寂寞的晚年生 活。1695年6月8日，惠更斯在海牙逝世。 摆的研究和运用 对摆的研究是惠更斯所完成的最出色的物理学工作。多少世纪以来，时间测量始终是摆在人类面前的一个难题。当时 的计时装置诸如日规、沙漏等均不能在原理上保持精确。直到伽 利略发现了摆的等时性，惠更斯将摆运用于计时器，人类才进入 一个新的计时时代。 当时，惠更斯的兴趣集中在对天体的观察上，在实验中，他 深刻体会到了精确计时的重要性，因而便致力于精确计时器的研 究。当年伽利略曾经证明了单摆运动与物体在光滑斜面上的下滑 运动相似，运动的状态与位置有关。惠更斯进一步确证了单摆振 动的等时性并把它用于计时器上，制成了世界上第一架计时摆钟。 这架摆钟由大小、形状不同的一些齿轮组成，利用重锤作单摆的 摆锤，由于摆锤可以调节，计时就比较准确。在他随后出版的 《摆钟论》一书中，惠更斯详细地介绍了制作有摆自鸣钟的工艺， 还分析了钟摆的摆动过程及特性，首次引进了“摆动中心”的概 念。他指出，任一形状的物体在重力作用下绕一水平轴摆动时， 可以将它的质量看成集中在悬挂点到重心之连线上的某一点，以 将复杂形体的摆动简化为较简单的单摆运动来研究。

惠更斯在他的《摆钟论》中还给出了他关于所谓的“离心 力”的基本命题。他提出：一个作圆周运动的物体具有飞离中 心的倾向，它向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。这也是他对有关的伽利略摆动学说的扩充。 在研制摆钟时，惠更斯还进一步研究了单摆运动，他制作了一 个秒摆（周期为2秒的单摆），导出了单摆的运动公式。在精确 地取摆长为3.0565英尺时，他算出了重力加速度为9.8米/秒2。 这一数值与现在我们使用的数值是完全一致的。 后来，惠更斯和胡克还各自发现了螺旋式弹簧丝的振荡等 时性，这为近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 十分关心的问题。到了十七世纪，科学家们对光学现象进行了 研究，他们通过出色的实验工作，奠定了近代物理学的基础。 这个时期，曾经发生了一场关于光的本性问题的讨论。 惠更斯在巴黎工作期间曾致力于光学的研究。1678年，他 在法国科学院的一次演讲中公开反对了牛顿的光的微粒说。他说，如果光是微粒性的，那么光在交叉时就会因发生碰撞而 改变方向。可当时人们并没有发现这现象，而且利用微粒说解 释折射现象，将得到与实际相矛盾的结果。

因此，惠更斯在 1690年出版的《光论》一书中正式提出了光的波动说， 建立了著名的惠更斯原理。在此原理基础上，他推倒出了光的 反射和折射定律，圆满的解释了光速在光密介质中减小的原因， 同时还解释了光进入冰洲石所产生的双折射现象，认为这是由 于冰洲石分子微粒为椭圆形所致。 惠更斯原理是近代光学的一个重要基本理论。但它虽然可 以预料光的衍射现象的存在，却不能对这些现象作出解释 ，也 就是它可以确定光波的传播方向，而不能确定沿不同方向传播 的振动的振幅。因此摆钟论，惠更斯原理是人类对光学现象的一个近 似的认识。直到后来，菲涅耳对惠更斯的光学理论作了发展和 补充，创立了“惠更斯--菲涅耳原理”，才较好地解释了衍射 现象，完成了光的波动说的全部理论。 惠更斯的其他贡献 惠更斯在天文学方面有着很大的贡献。他把大量的精力放在了研制和改进光学仪器上。当惠更斯还在 荷兰的时候，就曾和他的哥哥一起以前所未有的精度成功地设 计和磨制出了望远镜的透镜，进而改良了开普勒的望远镜。惠 更斯利用自己研制的望远镜进行了大量的天文观测。 因此，他得到的报酬是解开了一个由来已久的天文学之谜。伽 利略曾通过望远镜观察过土星，他发现了“土星有耳朵”，后 来又发现了土星的“耳朵”消失了。

伽利略以后的科学家对此 问题也进行过研究，但都未得要领。“土星怪现象”成为了天 文学上的一个谜。当惠更斯将自己改良的望远镜对准这颗行星 时，他发现了在土星的旁边有一个薄而平的圆环，而且它很倾 向地球公转的轨道平面。伽利略发现的“土星耳朵”消失，是 由于土星的环有时候看上去呈现线状。以后惠更斯又发现了土 星的卫星--土卫六，并且还观测到了猎户座星云、火星极冠等。 惠更斯在数学上有出众的天才，早在22岁时就发表过关于 计算圆周长、椭圆弧及双曲线的著作。他对各种平面曲线，如 悬链线、曳物线、对数螺线等都进行过研究，还在概率论和微 积分方面有所成就。1657年发表的《论赌博中的计算》，就是一篇关于概率论的科学论 文，显示了他在数学上的造诣。 在力学方面的研究，惠更斯是 以伽利略所创建的基础为出发 点的。 在《论摆钟》一书中还论述了 关于碰撞的问题。大约在1669 年，惠更斯就已经提出解决了 碰撞问题的一个法则——“活力” 守恒原理，它成为能量守恒的 先驱。惠更斯继承了伽利略的 单摆振动理论，并在此基础上 进一步研究。他把几何学带进 了力学领域，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，他是英国皇家学会第一 个外国会员，是法国科学院唯一的外国院士。他在物理学、数 学和天文学方面他都有非常的贡献，是近代自然科学的重要开 拓者之一。 惠更斯对完全弹性碰撞作了相当详尽的研究，提出了自己 的碰撞理论。他的理论是以下述三个假设（公理）作为基础的： （1）“运动起来的物体，在未受到阻碍作用时，将以不变的 速度沿直线继续运动”。 （2）“两个具有相同质量的物体，以相同的速度相向作对心 碰撞后，两者都以相同的速度向相反方向运动。” （3）“物体的运动以及它们的速度，必须看作是相对于另一 些我们以为是静止的物体而言的，而不必考虑这些物体是否还 参与另外的共同运动。因此，当两个物体相碰撞时，即使它们 同时参与另一匀速运动，在也具有这个共同运动的观察者看来， 两个物体的相互作用就好象不存在这个共同运动一样。”根据这些假设，惠更斯作出断言：两个质量相同并以相同 的速度相向运动的物体，在发生刚性的对心碰撞之后，都保留 碰撞前的速度而相互弹开。这个结论被实验所证实了。 惠更斯进一步研究了两个质量相同的物体以不同的速度发 生对心碰撞的情形。这里，他独具匠心地运用了相对性原理： 想象一个人在以速度U作匀速运动的船上，用吊起的两个相同 的钢球作碰撞实验。

对船而言，两球以同样的速度V相接近而 碰撞。根据假设（3），船上的人所看到的就是上面所说的那 种最简单的碰撞，在碰撞后（对船而言）两球将保持碰撞前的 速度而被弹开，这个过程对于站在岸上的人来说这两个球是以 不同的速度（V + U）和（V - U）相向碰撞的，碰撞后两球的 速度分别变为（V - U）和（V + U）。于是就可以得出结论： 两个相同的球以不同的速度发生对心碰撞后，将彼此交换速度。 惠更斯还指出，这种情形的一个特例是：一个静止的球同一个 质量相同的运动着的球碰撞后，后者立即停止，而原来静止的 球则获得这一个速度前进。最一般的情形是两个质量不同、运动速度也不同的刚性球的对 心碰撞。惠更斯从一个特例，即两球的速度V1，V2和它们的质 量M1，M2成反比的情况入手，再次采用假设（3），得出了最 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得出了许 多重要的机械运动原理。他认为：“两个物体所具有的运动量 在碰撞中都可以增多或减少，但是它们的量值在同一个方向的 总和却保持不变，如果减去反方向的运动量的话。”他还指出： “两个，三个或任意多个物体的共同重心，在碰撞前后总是朝 着同一方向作匀速直线运动。

”这是很完善的动量守恒律的表 述。惠更斯既看到了动量数值的变化，又强调了方向的问题， 实际上是把适量概念引进了物理学，从而为牛顿运动定律的提 出和适量力学的建立作了概念的准备，这是物理学思想的一个 重大进步。在另一个定理中，惠更斯认为：“在两个物体的碰 撞中，它们的质量和速度平方乘积的总和，在碰撞前后保持不 变。”这就是完全弹性碰撞中机械能守恒定律的具体表现，后 来在一个长时期内被称为“活力守恒”。碰撞问题的研究和动量守恒原理的发现，为建立作用和反 作用准备了一定的条件，从而完成了伽利略以来为建立力学体 系而作的奠基性工作。 惠更斯的《关于论碰撞作用下物体的运动》的论文在当时 没有公开发表，在他1703年逝世后遗稿才被人发现。 他的重要贡献有： ①建立了光的波动学说，打破了当时流行的光的微粒学说， 提出了光波面在媒体中传播的惠更斯原理。 ②1673年他解决了物理摆的摆动中心问题，测定了重力 加速度之值，改进了摆钟，得出了离心力公式，还发明了测微 计。 ③他首先发现了双折射光束的偏振性，并用波动观点作了 解释。 ④在天文学方面，他供助自己设计和制造的望远镜于 1665年，发现了土星卫星----土卫六，且观察到了土星环。 惠更斯的主要著作是1690年出版的《论光》，共有22卷。

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