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擺的研究和運(yùn)用

對(duì)擺的研究是惠更斯所完成的最出色的物理學(xué)工作。

多少世紀(jì)以來(lái)，時(shí)間測(cè)量始終是擺在人類面前的一個(gè)難題。當(dāng)時(shí)的計(jì)時(shí)裝置諸如日規(guī)、沙漏等均不能在原理上保持精確。直到伽利略發(fā)現(xiàn)了擺的等時(shí)性，惠更斯將擺運(yùn)用于計(jì)時(shí)器，人類才進(jìn)入一個(gè)新的計(jì)時(shí)時(shí)代。

當(dāng)時(shí)，惠更斯的興趣集中在對(duì)天體的觀察上，在實(shí)驗(yàn)中，他深刻體會(huì)到了精確計(jì)時(shí)的重要性，因而便致力于精確計(jì)時(shí)器的研究。當(dāng)年伽利略曾經(jīng)證明了單擺運(yùn)動(dòng)與物體在光滑斜面上的下滑運(yùn)動(dòng)相似，運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)與位置有關(guān)�；莞�斯進(jìn)一步確證了單擺振動(dòng)的等時(shí)性并把它用于計(jì)時(shí)器上，制成了世界上第一架計(jì)時(shí)擺鐘。這架擺鐘由大小、形狀不同的一些齒輪組成，利用重錘作單擺的擺錘，由于擺錘可以調(diào)節(jié)，計(jì)時(shí)就比較準(zhǔn)確。在他隨后出版的《擺鐘論》一書中，惠更斯詳細(xì)地介紹了制作有擺自鳴鐘的工藝，還分析了鐘擺的擺動(dòng)過(guò)程及特性，首次引進(jìn)了“擺動(dòng)中心”的概念。他指出，任一形狀的物體在重力作用下繞一水平軸擺動(dòng)時(shí)，可以將它的質(zhì)量看成集中在懸掛點(diǎn)到重心之連線上的某一點(diǎn)，以將復(fù)雜形體的擺動(dòng)簡(jiǎn)化為較簡(jiǎn)單的單擺運(yùn)動(dòng)來(lái)研究。

惠更斯在他的《擺鐘論》中還給出了他關(guān)于所謂的“離心力”的基本命題。他提出：一個(gè)作圓周運(yùn)動(dòng)的物體具有飛離中心的傾向，它向中心施加的離心力與速度的平方成正比，與運(yùn)動(dòng)半徑成反比。這也是他對(duì)有關(guān)的伽利略擺動(dòng)學(xué)說(shuō)的擴(kuò)充。

在研制擺鐘時(shí)，惠更斯還進(jìn)一步研究了單擺運(yùn)動(dòng)，他制作了一個(gè)秒擺（周期為2秒的單擺），導(dǎo)出了單擺的運(yùn)動(dòng)公式。在精確地取擺長(zhǎng)為3.0565英尺時(shí)，他算出了重力加速度為9.8米/秒2。這一數(shù)值與現(xiàn)在我們使用的數(shù)值是完全一致的。

后來(lái)，惠更斯和胡克還各自發(fā)現(xiàn)了螺旋式彈簧絲的振蕩等時(shí)性，這為近代游絲懷表和手表的發(fā)明創(chuàng)造了條件。

在古代和中世紀(jì)的漫長(zhǎng)歲月里，光是哲學(xué)家和自然科學(xué)家十分關(guān)心的問(wèn)題。到了十七世紀(jì)，科學(xué)家們對(duì)光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了研究，他們通過(guò)出色的實(shí)驗(yàn)工作，奠定了近代物理學(xué)的基礎(chǔ)。這個(gè)時(shí)期，曾經(jīng)發(fā)生了一場(chǎng)關(guān)于光的本性問(wèn)題的討論。

惠更斯在巴黎工作期間曾致力于光學(xué)的研究。1678年，他在法國(guó)科學(xué)院的一次演講中公開反

他說(shuō)，如果光是微粒性的，那么光在交叉時(shí)就會(huì)因發(fā)生碰撞而改變方向�？僧�(dāng)時(shí)人們并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這現(xiàn)象，而且利用微粒說(shuō)解釋折射現(xiàn)象，將得到與實(shí)際相矛盾的結(jié)果。因此，惠更斯在1690年出版的《光論》一書中正式提出了光的波動(dòng)說(shuō)，

建立了著名的惠更斯原理。在此原理基礎(chǔ)上，他推倒出了光的反射和折射定律，圓滿的解釋了光速在光密介質(zhì)中減小的原因，同時(shí)還解釋了光進(jìn)入冰洲石所產(chǎn)生的雙折射現(xiàn)象，認(rèn)為這是由于冰洲石分子微粒為橢圓形所致。

惠更斯原理是近代光學(xué)的一個(gè)重要基本理論。但它雖然可以預(yù)料光的衍射現(xiàn)象的存在，卻不能對(duì)這些現(xiàn)象作出解釋 ，也就是它可以確定光波的傳播方向，而不能確定沿不同方向傳播的振動(dòng)的振幅。因此，惠更斯原理是人類對(duì)光學(xué)現(xiàn)象的一個(gè)近似的認(rèn)識(shí)。直到后來(lái)，菲涅耳對(duì)惠更斯的光學(xué)理論作了發(fā)展和補(bǔ)充，創(chuàng)立了“惠更斯--菲涅耳原理”，才較好地解釋了衍射現(xiàn)象，完成了光的波動(dòng)說(shuō)的全部理論。