高中物理 第1章 機(jī)械振動(dòng) 第3節(jié) 單擺 惠更斯 擺的研究和運(yùn)用素材 魯科版選修3-4（通用）

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1、惠更斯 擺的研究和運(yùn)用 一、惠更斯 惠更斯(1629-1695)荷蘭物理學(xué)家、天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家。是與牛頓同一時(shí)代的科學(xué)家，是歷史上最著名的物理學(xué)家之一，他對(duì)力學(xué)的發(fā)展和光學(xué)的研究都有杰出的貢獻(xiàn)，在數(shù)學(xué)和天文學(xué)方面也有卓越的成就，是近代自然科學(xué)的一位重要開(kāi)拓者。他建立向心力定律，提出動(dòng)量守恒原理，改進(jìn)了計(jì)時(shí)器。 1629年4月14 日出生于海牙。父親是大臣和詩(shī)人，與R·笛卡兒等學(xué)界名流交往甚密。惠更斯自幼聰慧，13歲時(shí)曾自制一臺(tái)車(chē)床，表現(xiàn)出很強(qiáng)的動(dòng)手能力。1645～1647年在萊頓大學(xué) 學(xué)習(xí)法律與數(shù)學(xué)，1647～1649年轉(zhuǎn)入布雷達(dá)學(xué)院深造。 在阿基米德等人著作及笛卡兒等人直接影響下，

2、致力于 力學(xué)、光學(xué)、天文學(xué)及數(shù)學(xué)的研究。他善于把科學(xué)實(shí)踐和理論研究結(jié)合起來(lái)，透徹地解決問(wèn)題，因此在擺鐘的 發(fā)明、天文儀器的設(shè)計(jì)、彈性體碰撞和光的波動(dòng)理論等 方面都有突出成就。1663年他被聘為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)第一 個(gè)外國(guó)會(huì)員，1666年剛成立的法國(guó)皇家科學(xué)院選他為院士。惠更斯體弱多病，一心致力于科學(xué)事業(yè)，終生未婚。1695年7月8日在海牙逝世。 惠更斯曾首先集中精力研究數(shù)學(xué)問(wèn)題，惠更斯在數(shù)學(xué)上有出眾的天才，早在22歲時(shí)就發(fā)表過(guò)關(guān)于計(jì)算圓周長(zhǎng)、橢圓弧及雙曲線的著作。他對(duì)各種平面曲線，如懸鏈線、曳物線、對(duì)數(shù)螺線等都進(jìn)行過(guò)研究，還在概率論和微積分方面有所成就。 1657年發(fā)表的《論賭博中的計(jì)算》，就

3、是一篇關(guān)于概率論的科學(xué)論文，顯示了他在數(shù)學(xué)上的造詣。從1651年起，對(duì)于圓、二次曲線、復(fù)雜曲線、懸鏈線、概率問(wèn)題等發(fā)表了一些論著，他還研究了浮體和求各種形狀物體的重心等問(wèn)題。 二、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(lèi)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(lèi)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

4、運(yùn)動(dòng)相似，運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)與位置有關(guān)?；莞惯M(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(shū)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。