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1、惠更斯的摆钟 11有人类文明，人们就一直iiLZJ时间的准确量度。从远古时期的水iMl、沙i!li、燃香、 立柯看门);种方法开始，人们在不断改边。J!l进到近代粘在，计时，还是从摆钟的发明fI始 的。I1657年惠更斯(ChristiaanHuygens, 1629-1695)发明了摆钟，至20肚纪30年代之 前，人类使用的主要，11叶T段就是摆钟。I盯在这近三百年中，摆钊J(J不断改进，是和)学学 抖的发展以及)学家的工作是紧密相连的。 人类对1盯1也、计时的iLr求，是从大规脱航海事业的卅始。那是151且纪本，1488年，葡 萄牙人地亚斯(BartholomewDiaz; 1451-1坷
2、的率领船队抵达非洲四南端的好望角，意大 利人哥伦布(ChristopherColumbus , 1451 -1506)是1492年7月辟了i且往美洲的新航线， 1497-1498句，葡萄牙探险练达伽玛(Vascoda Gama, 14 69一1524)卅辟了欧洲从悔上直 i且印度的新航路。人们fI始了大规膜的远洋航行。 远洋航行，在漫无地际的大汁中，四而n不到任何标记。人们咐能够看到的是天上的 门月星辰，就凭这天上的标记要拍确定位航船所在的位主凶，这实在有点难度。不过，人们还 是!w想办法先服这种困难的。 首先，xn所在位世的纬度，是比较容易定位的。只要测定某个恒星的角度，因为那些 恒星的纬度
3、是早已经编制好了的，由观测到f肯定恒星的纬度，立刻能够计算出所处地点的纬 度。为了航海的便利，在地球表fjf)，沿拍大Ihl!，铅垂线每变化度，距离的改变定为60海 电。也就是说每分(度等r60分)距离为l海卑。实际上，当时的测量粘度已经能够达 到度以下的分了。所以fij:f1这种距离单位是紧紧和航海的便利来设定的。IL实后来公制的l，= 度米的确定，也是带11)，航海便利的痕迹的。1790咋5月由法国剧学家纠成的中，IjoJIJ委 员会，建议以通过巴黎的地球于午线全长的四干月分之作为长度单位一一米，1791 1f技 法国国会批准。实际上，是将11北极到费4且这个直角，等分为百份(而不是像平7
4、17等分为 九十度)，111份是100干米(km)，这个思想2是接受了，当时度量街委员会的主时2大) 学练拉格阴门(Joseph-LouisLagrange , 1735-1813)的建议，以1一边i扣1J.)基础来制定 度量衡的，意思是:13托巴直角定为100度，再把角度的六十ilt位市IJ改变为十进制。 不ifF怎样，当时能够测量轮船所在的纬度，是已经很先迹了。由1角度的粘度已经能够 达到分的粘度2所以实际上在纬度方向上的距离已经能够柏确定位到海里的粘度了。 我们知道，要确定船的位听，除了纬度外还市要个经度。测量某J寸T王军的经度，也是 能够盯Hil到分的。问题是，地球是以24小时一用来旋
5、转的，而且还有地球的公转，这些恒 足的经皮茄IT同一纬线上的观然有一来说也是不断地均匀地变化莉的。这就是要扣除一个时间 的影响。而这就要能够柏确地皮盘时间。具体地说p只要知i且起航地点的准确11才(Aj，然后i且 过观测恒旱，得到船所在地的当地时间，两个时间茬，就能够til确1算出地球在这期间转过 了多少角度，从而就能够r，出轮船所在的经度。这样才能完全确定轮船的位划。 所以就剩Ffr.M认1000先印l荷兰国王 起、武力佛罗林法国则出价1-JJ里弗。而1714句英国政府出价两j英镑，条件是要从英 国到牙买川的六个J:期的航程叶定位棋差不得超过度，自i1在六个且期中|时的积祟误差不 超过4分钟
6、。这些奖金用来证主ld凶多精确确定经度的方法。仅英国的这笔奖金就是笔数甜! 巨大的奖金，Hj-到现在，将是诺贝尔奖金的数倍之事。(须知，直到100多年之后.1871 吃，卡立油I的后代捐献给剑桥大学成立卡文i1!vt实验在，数额才有8450英镑。)出这抖高 烛的奖金，就是要人们研究种办法p把ImA)运到船上。 他们所以117出这样阳的监汉来恤求确定经度的办法，是11)之前由1定位不准曾经1-1出 了惨痛的代价。象当年哥伦布航行到南北美洲之间的川剧J比海，误以为到达了印度，所以后 来直把那些尚屿称为西印度群尚。至于因航海i址:途失事、驶入海ill控制区内而遇难的事故， 则多何发生。只中:lIi出
7、名的炊事故是.1707可10月2211.英国的主向车，在英国南 边，因定位不对，四I出车刷刷III吨，有近两干车人都身iiij睬。 重负之下，必有勇夫。在这样重的丛武之下，许多若名的科学家都纷纷献计献策。伽利 略(GalileoGalil凹.1564一1642)建议用他发现的木屋卫军的相11位听(例如l利用他们蚀的 时真1)来校正l时间。27岁的天文学家弗拉姆斯i占，他OohnFlamsteed, 1646一1719)被任命 成立天文台来校正回1位划，以确定月亮在恒li之间的位听来校准时间，这便是格林威治天 文台的11始。不过后来还是摆钟取得了剧中1).说来活长。 利用忡表来确定经度的扭、法是
8、早已有之的，不过由1当时钟表的粘度实在太差。如何捉 商粘度，就实际地落在丁);学泵的肩上。如记钱，从1602年起F伽利略就正112到!(!jl!运动 n(!叶性，1637年曾娃议利用钟表来确定经度.11且在1638年出版的巨.(关于两门新科 学的对民中详细介绍了摆运动的等I. t悦，不过他议认为在大摆动11才等时怕也是成立的。后 来他曾经建议利用摆的等时性制作钟表，由于不久过Ii肚而没有实坝。 图1惠更斯设计的摆钟 T 图z惠更斯像 尽?伽利附关注单担的研究比惠更斯早了大约1年2不过最早系统和深入地研究单摆的 应当是是惠更斯。他不仅从理比上研究tfi楚了单摆运动规伴，而且根据得到的运动规伟设计
9、 了摆钟。1657年他取得丁关于摆钟的利权。 1673年他发表了他的毛.(摆钊JiB)描述摆钟的构造。1673年他发表了系统论述这项 发明阳J IlllltE若摆钟与钊1摆运动的几何证明)，这是在)J学发展历史上具有里程碑性质的 仰大z作。这本书共分5部分，第一与:在西部分讨论时钊，第二部分d 论JE点在重)作用下 的白由落体运动以及沿)1卧平市 !1X1山fi所作的约束运动，井证明了在大摆动1、约束在%f轮线 上的物体等时降落(f(Jtl:J，第三部分建立渐屈线理论，第四部分解决了复摆问题。这是人类 第一次系统地研究约柬运动的t:。 值得指出的M.更斯的.l作并不是就事论事地简单地研究单摆2
10、他1I1巴单摆放在一个远为 宽广的捉itT来研究的。也就是从政一般的)J学运动规仰上来讨论单担运动的。因此他得到 的结果是比单摆运动规伴更深刻、更普j!，j的规伴。 首先，他是从一个质点被约束在一条1111线上，来研究这种受约束的运动。研究得多的fj 形是国用运动。也得到的结果是，物体所受的向心力和I绳索所受的离心)相士豆、而且这个向 心力是与运动的地度平方成正比，和rIhll半径1摆动用朋和摆师无关。所泪%f轮线，是在平Ifi!上个国在根直线上无 泪f;lJlt!l滚动，胆l用上JL点iW出的轨渣。 L u A K D 。 回3旋轮线 直口I萄山线ABC就是条旋轮线。把这条线倒过来，)页点沿
11、茄JE动就是等时的。 最后，为了研究等时摆，他在书中引逃了渐仰线的概念。为了设1等时摆，他让摆线夹 在两根M称的1111线之间2当摆线摆动时，摆线的上部便会与那两根xJ称的rllltlttll阳台。这It 摆慑质心所绘的轨迹1111线就是那条XJ称1111线的渐仰线。原来的那两条1111线就称为渐仰线的渐 屈线。根拙等时摆的要求，就是要求当渐仰线为旋轮线时，;17要绘出己的渐屈线来。惠更斯 J巴原l山线与盲目j渐11线之间的关系讨沧得很泊楚。F而忠更斯原书关F等11才摆的J面阁，lclJ 是实际摆的示意2而右地是渐11线为旋轮线及具渐屈线的示意。 I剖4渐11线和等时摆 惠更斯的摆钟问u1后，
12、比起以竹的各种计I. t装边t粘度大型JtJEEt币。如果说以往的钟表昼夜 误差是以1分钟左右，那么摆钟的昼夜误差则口Ji小F川秒左右。这一下给航向定位带来巨 大的希望。因为时间误差-fJ相当r定位时的误差不到半海里。这抖的误差是完全能够接受 的。但是，最初的摆钊z是很娇气的。也只能安静地摆放在那里，才能很好地工付。而要把14 搬运到颠簸的轮船上，不仅会川大误差甚至会w摆罢工。 为了先服摆钟的缺点，惠更斯友iifJ丁螺旋式Vf丝摆轮，1674年，ZE更JM成了弹簧摆 轮的钊t表。从此钊1表I可以适得更轻巧，nr以适应颠簸叫:12下工作和JIl J以随身抗甜的怀表与T 表的出现。Jtr 1675
13、年 申报了专利。大约在同时，英国的训先也发明了Vf丝摆轮。胡先说 惠更斯里J罚他的成果。这刊专Jj造成了两人之间的不利。 1明5惠更斯设，1阳jdf她摆轮 尽竹惠更斯为非l表的理险和实践奠定了基础，不 过英国的那笔为确定经度的巨锹悬赏，刘没有落在他 T里。而是落在丁一位木工出身的能工巧匠哈里森 ( John Harrison, 1693- 1776) T中了。他下173 5 年创制的杭ilij钟。经过初期航行试验，误差为3 。为 改ill航海钟，他1ll后花费了19年时间。后来，经过 反复改进，他的第四型天文钊E下1761汀，在到牙支 川的9个l?期航行巾，时rRJ-R差仅有5秒，这相当r 洲
14、位置时的经度误差不超过2。又在1762到164 年的两次试航中都完全满足了悬挠的要求。但是议会 只给了他一半的奖金。说是另一半耍在船队有了关丁 精确度的新的证明之后才投予。i睛里逊后来的岁月一 直为此而烦恼，一直到1773年才迟迟得到另一半。 哈里逊的先后4只航海用天文钊1现在还陈列在伦敦 的航海博物iTz内。i喘吁!森的航海钟，边行了vt多改i址， 不仅tI心!小，便于捎带，而且考虑了rill度补偿功能， 囤6哈里森航海钟Hl号 图7哈里森像 使天气的iil度变化不会影响柏确度，在第四只航海钟(:1:1，tjl !1X使用丁钻码。 哈耳!逊c也是木工，而且非学fi1函数学与钊i表i创作。在1
15、713-1726年之rnJ，他就 制作了许多相当柏lif的钟表2这些钊表就已经有补偿itlfE变化引起iE差的功能。 找们现在虽然有了更为粘密的计时设备，也有了拍准的全球定位系统(GPS)。时fnJ:!l:度 的柏度能够达到一亿年iR差不超过一秒，im位于f定位lZIt在一米之内。不过回忆人类科学技 本走过的艰辛道路，还是很有意义的。因为我们现今的抖学技点，正是孕育与早期的科学技 本运渐发展和成长起来的。 讲完了惠更斯M下钟表的贡献。我们需要简单介绍一下他的且他科学成就。 惠更斯生于荷兰的向牙。他的父亲是位当时的政府官员、有钱而且卫有学问，会写叶。 惠更斯从小就很聪明，在综里接受他父母的教育。
16、他16岁时进入菜I阪大学。他的仨要方向 是研究法竿，但也研究数学，而且取得很好的成绩。两年后，他转入布fU达学院深造，在阿 J，l米他若作的影响下，在筒卡尔的直接影响下，他的兴趣转向了)J学、)学、天文学以及数 学。 惠更斯继J丁伽利略目j传统，他也#T托:1实际问题和观测实验同理论惟m结fT起来。他 的才能也是多方rfi的。他发明了摆钟、并且在他不到27岁时就发现了士星的光环而出名， 他在天立仪器的设计、oJ!f!性体碰撞、k(rJ波动理冶方IhI都作出了不朽的贡献。 英国皇家学院成立于1662年，1663年他被聘为该院的第一名国外院士，1666年法国且 家科学院成立时他被选为第一批院士，万且一直在法国工作了15年，11681年回到荷兰。 。 惠更斯一生体弱多病2终生未婚。 两个弹怕球邮撞的问跑，伽利略以
