高中物理 第1章 機械振動 第3節(jié) 單擺 惠更斯 擺的研究和運用素材 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。是與牛頓同一時代的科學(xué)家，是歷史上最著名的物理學(xué)家之一，他對力學(xué)的發(fā)展和光學(xué)的研究都有杰出的貢獻，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)的一位重要開拓者。他建立向心力定律，提出動量守恒原理，改進了計時器。 1629年4月14 日出生于海牙。父親是大臣和詩人，與R·笛卡兒等學(xué)界名流交往甚密。惠更斯自幼聰慧，13歲時曾自制一臺車床，表現(xiàn)出很強的動手能力。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)實踐和理論研究結(jié)合起來，透徹地解決問題，因此在擺鐘的 發(fā)明、天文儀器的設(shè)計、彈性體碰撞和光的波動理論等 方面都有突出成就。1663年他被聘為英國皇家學(xué)會第一 個外國會員，1666年剛成立的法國皇家科學(xué)院選他為院士?；莞贵w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)問題，惠更斯在數(shù)學(xué)上有出眾的天才，早在22歲時就發(fā)表過關(guān)于計算圓周長、橢圓弧及雙曲線的著作。他對各種平面曲線，如懸鏈線、曳物線、對數(shù)螺線等都進行過研究，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，對于圓、二次曲線、復(fù)雜曲線、懸鏈線、概率問題等發(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題。 二、擺的研究和運用 對擺的研究是惠更斯所完成的最出色的物理學(xué)工作。多少世紀以來，時間測量始終是擺在人類面前的一個難題。當(dāng)時的計時裝置諸如日規(guī)、沙漏等均不能在原理上保持精確。直到伽利略發(fā)現(xiàn)了擺的等時性，惠更斯將擺運用于計時器，人類才進入一個新的計時時代。 當(dāng)時，惠更斯的興趣集中在對天體的觀察上，在實驗中，他深刻體會到了精確計時的重要性，因而便致力于精確計時器的研究。當(dāng)年伽利略曾經(jīng)證明了單擺運動與物體在光滑斜面上的下滑

4、運動相似，運動的狀態(tài)與位置有關(guān)。惠更斯進一步確證了單擺振動的等時性并把它用于計時器上，制成了世界上第一架計時擺鐘。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)，計時就比較準(zhǔn)確。在他隨后出版的《擺鐘論》一書中，惠更斯詳細地介紹了制作有擺自鳴鐘的工藝，還分析了鐘擺的擺動過程及特性，首次引進了“擺動中心”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時，可以將它的質(zhì)量看成集中在懸掛點到重心之連線上的某一點，以將復(fù)雜形體的擺動簡化為較簡單的單擺運動來研究。 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：一個作圓周運動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，與運動半徑成反比。這也是他對有關(guān)的伽利略擺動學(xué)說的擴充。 在研制擺鐘時，惠更斯還進一步研究了單擺運動，他制作了一個秒擺（周期為2秒的單擺），導(dǎo)出了單擺的運動公式。在精確地取擺長為3.0565英尺時，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，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性，這為近代游絲懷表和手表的發(fā)明創(chuàng)造了條件。