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第4章 第一次科学革命浪潮(2)

托里拆利创立了著名的液体从容器细孔流出的理论,这是他对力学发展所做的最重要的贡献。当时,水力学权威卡斯德利认为水流的速度跟孔到水面的距离成正比,这一见解又得到伽利略的赞同,无人敢怀疑。托里拆利为了弄清这一道理,认真地做了实验,进行了仔细的测量。结果发现,从器壁小孔流出的水流的速度不是跟孔到水面的距离成正比,而是跟此距离的平方根成正比。水流初速度v与桶中水面相对于孔口高度差h的关系式为v=Ah(A为常数)。后人称此式为托氏的射流定律。约在他之后的一个世纪,丹尼尔·伯努利才得出v=2gh的结果。托里拆利后来又通过实验证明了从侧壁细孔喷出来的水流的轨迹是抛物线形状。托里拆利的这些发现,为使流体力学成为力学的一个独立的分支奠定了基础。

三、大气压的测定

空气是否有重量和真空是否可能存在的问题,当时的学术界认识还不是很清楚。主要是受亚里士多德思想的影响,认为“世间万物之中除了火和空气以外均有各自的重量。”并坚持自然界“害怕真空”的说法。伽利略对此说法表示怀疑,他说:“我们不能相信亚里士多德所说的那样,仅仅认为某物是轻的,某物是重的,而应当认识到所有的物体都有其各自的重量,只不过各有重量大小不同和质地疏密之分而已。”“如果人们凭感觉和理解都还不能认识到真空的存在,那么凭感觉和理解又如何能否认真空的存在呢?”伽利略曾发现,抽水机在工作时,不能把水抽到10米以上的高度,他把这一现象归结为水柱受不了它本身重量的原因,再找不到合理满意的解释。

托里拆利非常赞同伽利略的关于空气有重量和真空存在的说法。在总结前人理论和实验的基础上,托里拆利进行了大量的实验,实现了真空,验证了空气有重量的事实,否定了伽利略的关于真空力的说法。

大约在1641年,一位著名的数学家、天文学家贝尔提曾用一根10米多长的铅管做成了一个真空实验。托里拆利从这个实验中受到启发,想到用较大密度的海水、蜂蜜、水银等做实验。他选用的水银实验,取得了最成功的结果。他将一根长度为1米的玻璃管灌满水银,然后用手指顶住管口,将其倒插进装有水银的水银槽里,放开手指后,可见管内部顶上的水银已下落,留出空间来了,而下面的部分则仍充满水银。为了进一步证明管中水银面上部确实是真空,托里拆利又改进了实验。他在水银槽中将其水银面以上直到缸口注满清水,然后把玻璃管缓缓地向上提起,当玻璃管管口提高到水银和水的界面以上时,管中的水银便很快地泻出来了,同时水猛然向上窜入管中,直至管顶。由此可见,原先管内水银柱以上部分确实是空无所有的空间。原先的水银柱和现在的水柱都不是被什么真空力所吸引住的,而是被管外水银面上的空气重量所产生的压力托住的。

托里拆利的实验是对亚里士多德的力学的最后致命打击,于是有些人便妄图否定托里拆利的研究成果,提出玻璃管上端内充有“纯净的空气”,并非真空。大家各抒己见,众说纷纭,引起了一场激烈的争论。争论一直持续到帕斯卡的实验成功证实托里拆利的理论后才逐渐统一起来。

托里拆利在实验中还发现不管玻璃管长度多少,也不管玻璃管倾斜程度怎样,管内水银柱的垂直高度总是76厘米,于是他提出了可以利用水银柱高度来测量大气压,并于1644年同维维安尼合作,制成了世界上第一具水银气压计。

四、在数学上的贡献

托里拆利在数学方面也颇有造诣。他进一步发展了卡瓦列里的“不可分原理”,帮它走向后来牛顿和莱布尼兹所创立的微积分学。他在《几何学文集》中提出了许多新定理,如:由直角坐标转换为圆柱坐标的方法,计算有规则几何图形板状物体重心的定理。还成功地结合力学问题来研究几何学。例如,他研究了在水平内的一定速度抛出物体所描绘的抛物线上作切线的问题,还研究了物体所描绘的抛物线的包络线。他曾测定过抛物线弓形内的面积,抛物面内的体积以及解决了其他十分复杂的几何难题。

托里拆利还将卡瓦列里的“不可分原理”以通俗易懂的方式表示出来,受到广大读者欢迎,对“不可分原理”的普及起了推动作用。

惠更斯

一、生平简介

经典性的化学分析方法通过对矿物分析发现的许多新元素也有了自己的体系。草酸和尿素的合成、原子价概念的产生、苯的六环结构和碳价键四面体等学说的创立、酒石酸拆分成旋光异构体,以及分子的不对称性等等的发现,导致有机化学结构理论的建立,使人们对分子本质的认识更加深入,并奠定了有机化学的基础。

1629年4月14日,惠更斯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,跟父亲学习数学和力学。16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。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。

16岁时,惠更斯进入莱顿大学学习。

二、摆的研究和运用

惠更斯所完成的最出色的物理学工作就是对摆的研究。很多世纪以来,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,惠更斯对天体的观察也极感兴趣,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。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:“一个做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。

惠更斯在研制摆钟时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。

三、光的波动说

在古代和中世纪,哲学家和自然科学家十分关心光的问题。到了17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。

在巴黎工作期间,惠更斯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一现象,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,他推导出了光的反射和折射定律,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,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进行了发展和补充,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。

四、惠更斯的其他贡献

惠更斯在天文学方面也颇有造诣。他在研制和改进光学仪器上发了大量的精力。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,对开普勒的望远镜进行改良。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这个问题也进行过研究,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。

惠更斯在数学上也有出众的表现,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。

惠更斯在力学方面的研究,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,得到了人们的充分肯定。

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