他於1629年4月14 日出生於海牙。父親是大臣和詩人,與R.笛卡兒等學界名流交往甚密。惠更斯自幼聰慧,13歲時曾自制壹臺車床,表現出很強的動手能力。1645~1647年在萊頓大學學習法律與數學;1647~1649年轉入布雷達學院深造。 在阿基米德等人著作及笛卡兒等人直接影響下,致力於:力學、光波學、天文學及數學的研究。他善於把科學實踐和理論研究結合起來,透徹地解決問題,因此在擺鐘的 發明、天文儀器的設計、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會第壹 個外國會員,1666年剛成立的法國皇家科學院選 他為院士。惠更斯體弱多病,壹心致力於科學事業,終生未婚。 1695年7月8日在海牙逝世。
[編輯本段]所獲成就
總括
惠更斯處於富裕寬松的家庭和社會條件中,沒受過宗教迫害的幹擾,能比較自由地發揮自己的才能.他善於把科學實踐與理論研究結合起來,透徹地解決某些重要問題,形成了理論與實驗結合的工作方法與明確的物理思想,他留給人們的科學論文與著作68種,《全集》有22卷,在碰撞、鐘擺、離心力和光的波動說、光學儀器等多方面作出了貢獻.
數學方面
惠更斯曾首先集中精力研究數學問題,惠更斯在數學上有出眾的天才,早在22歲時就發表過關於計算圓周長、橢圓弧及雙曲線的著作。他對各種平面曲線,如懸鏈線(他發現懸鏈線既擺線與拋物線的區別)、曳物線、對數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年發表的《論賭博中的計算》,就是壹篇關於概率論的科學論文(他是概率論的創始人),顯示了他在數學上的造詣。從1651年起,對於圓、二次曲線、復雜曲線、懸鏈線、概率問題等發表了壹些論著,他還研究了浮體和求各種形狀物體的重心等問題。
光學方面
惠更斯原理是近代光學的壹個重要基本理論。但它雖然可以預料光的衍射現象的存在,卻不能對這些現象作出解釋 ,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的振幅。因此,惠更斯原理是人類對光學現象的壹個近似的認識。直到後來,菲涅耳對惠更斯的光學理論作了發展和補充,創立了“惠更斯--菲涅耳原理”,才較好地解釋了衍射現象,完成了光的波動說的全部理論。
惠更斯在1678年給巴黎科學院的信和1690年發表的《光論》壹書中都闡述了他的光波動原理,即惠更斯原理.惠更斯原理認為:對於任何壹種波,從波源發射的子波中,其波面上的任何壹點都可以作為子波的波源,各個子波波源波面的包洛面就是下壹個新的波面。 他認為每個發光體的微粒把脈沖傳給鄰近壹種彌漫媒質(“以太”)微粒,每個受激微粒都變成壹個球形子波的中心.他從彈性碰撞理論出發,認為這樣壹群微粒雖然本身並不前進,但能同時傳播向四面八方行進的脈沖,因而光束彼此交*而不相互影響,並在此基礎上用作圖法解釋了光的反射、折射等現象《光論》中最精彩部分是對雙折射提出的模型,用球和橢球方式傳播來解釋尋常光和非常光所產生的奇異現象,書中有幾十幅復雜的幾何圖,足以看出他的數學功底.
另外惠更斯在巴黎工作期間曾致力於光學的研究。1678年,他在法國科學院的壹次演講中公開反對了牛頓的光的微粒說。他說,如果光是微粒性的,那麽光在交叉時就會因發生碰撞而改變方向。可當時人們並沒有發現這現象,而且利用微粒說解釋折射現象,將得到與實際相矛盾的結果。因此,惠更斯在1690年出版的《光論》壹書中正式提出了光的波動說,建立了著名的惠更斯原理。在此原理基礎上,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中減小的原因,同時還解釋了光進入冰洲石所產生的雙折射現象,認為這是由於冰洲石分子微粒為橢圓形所致。
天文學方面
惠更斯在天文學方面有著很大的貢獻。他設計制造的光學和天文儀器精巧超群,如磨制了透鏡,改進了望遠鏡(用它發現了土星光環等)與顯微鏡,惠更斯目鏡至今仍然采用,還有幾壹十米長的“空中望遠鏡”(無管、長焦距、可消色差)、展示星空的“行星機器”(即今天文館雛型)等.
他把大量的精力放在了研制和改進光學儀器上。當惠更斯還在荷蘭的時候,就曾和他的哥哥壹起以前所未有的精度成功地設計和磨制出了望遠鏡的透鏡,進而改良了開普勒的望遠鏡。惠更斯利用自己研制的望遠鏡進行了大量的天文觀測。因此,他得到的報酬是解開了壹個由來已久的天文學之謎。伽利略曾通過望遠鏡觀察過土星,他發現了“土星有耳朵”,後來又發現了土星的“耳朵”消失了。伽利略以後的科學家對此問題也進行過研究,但都未得要領。“土星怪現象”成為了天文學上的壹個謎。當惠更斯將自己改良的望遠鏡對準這顆行星時,他發現了在土星的旁邊有壹個薄而平的圓環,而且它很傾向地球公轉的軌道平面。伽利略發現的“土星耳朵”消失,是由於土星的環有時候看上去呈現線狀。以後惠更斯又發現了土星的衛星--土衛六,並且還觀測到了獵戶座星雲、火星極冠等。
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工作。
在1668~1669年英國皇家學會碰撞問題征文懸賞中,他是得獎者之壹.他詳盡地研究了完全彈性碰撞問題(當時叫“對心碰撞”).死後綜合發表於《論物體的碰撞運動》(1703)中,包括5個假設和13個命題.他糾正了笛卡兒不考慮動量方向性的錯誤,並首次提出完全彈性碰撞前後的守恒.他還研究了岸上與船上兩個人手中小球的碰撞情況並把相對性原理應用於碰撞現象的研究.
惠更斯從實踐和理論上研究了鐘擺及其理論.1656年他首先將擺引入時鐘成為擺鐘以取代過去的重力齒輪式鐘.在《擺鐘》(1658)及《擺式時鐘或用於時鐘上的擺的運動的幾何證明》(1673)中提出著名的單擺周期公式,T=2P(l/g)^0.5註,其中P為圓周率,l為擺長,g為重力加速度.研究了復擺及其振動中心的求法.通過對漸伸線、漸屈線的研究找到等時線、擺線.研究了三線擺、錐線擺、可倒擺及擺線狀夾片等,圖2-2-7是惠更斯的船用鐘外形及其內部結構,結構中有擺錘、擺線狀夾板、每隔半秒由驅動錘解鎖的棘爪等.
註:當利用高等數學研究單擺的運動就會看到,這個公式是個近似公式,由它算出的周期與精確值之間的差別隨著偏角的增加而增加。當偏角為5°時兩者相差0.01%,7°時相差0.1%,15°時相差0.5%,23°時相差1%。
在研究擺的重心升降問題時,惠更斯發現了物體系的重心與後來歐勒稱之為轉動慣量的量,還引入了反饋裝置——“反饋”這壹物理思想今天更顯得意義重大.設計了船用鐘和手表平衡發條,大大縮小了鐘表的尺寸.他還用擺求出重力加速度的準確值,並建議用秒擺的長度作為自然長度標準.
惠更斯還提出了他的離心力定理,他還研究了圓周運動、擺、物體系轉動時的離心力以及泥球和地球轉動時變扁的問題等等.這些研究對於後來萬有引力定律的建立起了促進作用.他提出過許多既有趣又有啟發性的離心力問題.
多少世紀以來,時間測量始終是擺在人類面前的壹個難題。當時的計時裝置諸如日規、沙漏等均不能在原理上保持精確。直到伽利略發現了擺的等時性,惠更斯將擺運用於計時器,人類才進入壹個新的計時時代。
當時,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,因而便致力於精確計時器的研究。當年伽利略曾經證明了單擺運動與物體在光滑斜面上的下滑運動相似,運動的狀態與位置有關。惠更斯進壹步確證了單擺振動的等時性並把它用於計時器上,制成了世界上第壹架計時擺鐘。這架擺鐘由大小、形狀不同的壹些齒輪組成,利用重錘作單擺的擺錘,由於擺錘可以調節,計時就比較準確。在他隨後出版的《擺鐘論》壹書中,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,任壹形狀的物體在重力作用下繞壹水平軸擺動時,可以將它的質量看成集中在懸掛點到重心之連線上的某壹點,以將復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》中還給出了他關於所謂的“離心力”的基本命題。他提出:壹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。這也是他對有關的伽利略擺動學說的擴充。
在研制擺鐘時,惠更斯還進壹步研究了單擺運動,他制作了壹個秒擺(周期為2秒的單擺),導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。這壹數值與現在我們使用的數值是完全壹致的。
後來,惠更斯和胡克還各自發現了螺旋式彈簧絲的振蕩等時性,這為近代遊絲懷表和手表的發明創造了條件。
力學方面
在力學方面的研究,惠更斯是以伽利略所創建的基礎為出發點的。在《論擺鐘》壹書中還論述了關於碰撞的問題。大約在1669年,惠更斯就已經提出解決了碰撞問題的壹個法則——“活力”守恒原理,它成為能量守恒的先驅。惠更斯繼承了伽利略的單擺振動理論,並在此基礎上進壹步研究。他把幾何學帶進了力學領域,用令人欽佩的方法處理力學問題,得到了人們的充分肯定。
他不迷信權威,敢於權威向提出挑戰
惠更斯—菲涅耳原理
壹、惠更斯原理
在波的傳播過程中,總可以找到同位相各點的幾何位置,這些點的軌跡是壹個等位相面,叫做波面。惠更斯曾提出次波的假設來闡述波的傳播現象,建立了惠更斯原理.惠更斯原理可表述如下:任何時刻波面上的每壹點都可作為次波的波源,各自發出球面次波;在以後的任何時刻,所有這些次波面的包絡面形成整個波在該時刻的新波面。
光的直線傳播、反射、折射等都能以此來進行較好的解釋。此外,惠更斯原理還可解釋晶體的雙折射現象。但是,原始的惠更斯原理是比較粗糙的,用它不能解釋衍射現象,而且由惠更斯原理還會導致有倒退波的存在,而這顯然是不存在的。
由於惠更斯原理的次波假設不涉及波的時空周期特性——波長,振幅和位相,雖然能說明波在障礙物後面拐彎偏離直線傳播的現象,但實際上,光的衍射現象要細微的多,例如還有明暗相間的條紋出現,表明各點的振幅大小不等,對此惠更斯原理就無能為力了。因此必須能夠定量計算光所到達的空間範圍內任何壹點的振幅,才能更精確地解釋衍射現象。
二、菲涅耳對惠更斯原理的改進
菲涅耳在惠更斯原理的基礎上,補充了描述次波的基本特征——位相和振幅的定量表示式,並增加了“次波相幹疊加”的原理,從而發展成為惠更斯——菲涅耳原理。這個原理的內容表述如下:
面積元dS所發出的各次波的振幅和位相滿足下面四個假設:
(1)在波動理論中,波面是壹個等位相面。因而可以認為dS面上各點所發出的所有次波都有相同的初位相(可令其為零)。
(2)次波在P點處所引起的振動的振幅與r成反比。 這相當於表明次波是球面波。
(3)從面元dS所發次波在P處的振幅正比於dS的面積,且與傾角θ有關,其中θ為dS的法線N與dS到P點的連線r之間的夾角,即從dS發出的次波到達P點時的振幅隨θ的增大而減小(傾斜因數)。
(4)次波在P點處的位相,由光程nr決定。根據以上的假設,可知面積元dS發出的次波在P點的合振動可表示為
或
如果波面上各點的振幅有壹定的分布則面元dS發出次波到達P點的振幅與該面元上的振幅成正比,若分布函數為A(Q),則波面在P點所產生的振動為
如果將波面上所有面積元在P點的作用加起來即可求得波面S在P點所產生的合振動
或寫成復數形式
通過惠更斯—菲涅耳原理可以解釋和描述光束通過各種形狀的障礙物時所產生的衍射現象。本章我們來討論幾種幾何形狀特殊的開孔和障礙物所產生的衍射花樣的光強分布。