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第3章 胡克

胡克(1635-1703年)英国实验物理学家,仪器发明家。1635年,他出生在英格兰怀特岛的清水村。从小体弱多病的胡克心灵手巧,喜欢摆弄机械,自己制作过木钟和可以开炮的小战船等。1653年,他到牛津大学作工读生,并于1663年获得文学硕士学位。胡克于1655年成为玻意耳的助手,因为他优秀的实验才能,1662年就被任命为皇家学会的实验主持人,为每次科学家们的聚会安排三、四个实验,1663年获得硕士学位,同年当选为皇家学会正式会员,并兼任学会图书管理员和陈列室管理员。1665年,被格雷姆学院聘为几何学教授,1667-1683年任学会秘书并负责出版会刊。优良的工作条件使他在当时自然科学的前沿(如机械仪器改制、重力、弹性、光学,以及生物、化学、建筑、地质等方面)作出了许多贡献。1703年,胡克逝世于伦敦。

作为17世纪英国最杰出的科学家之一。胡克在光学、力学、天文学等许多方面都取得了重大成就。由他设计和制造的科学仪器在当时是世界上最先进的。

胡克在光学上是光的波动说的支持者。他于1665年提出了光的波动说,他认为光的传播与水波的传播是相似的。1672年,胡克进一步提出了光波是横波的概念。在光学研究中,胡克更主要的工作是进行了大量的光学实验,特别是致力于光学仪器的研制。他发明制造了显微镜、望远镜等数种光学仪器。

在力学方面,胡克的贡献最为卓着。他曾经为研究开普勒学说取得了了重大成就。他在探讨万有引力的过程中第一个发现了引力和距离的平方成反比这个规律。1662-1666年,为了研究引力可以提供约束行星沿闭合轨道运动的向心力这个问题,胡克做了大量的实验工作。他支持吉尔伯特的观点,认为引力和磁力是类似的。胡克还曾于1664年指出彗星靠近太阳时轨道是变弯曲的。为了寻求支持物体保持沿圆周轨道运动的力的关系,他作了大量的实验。1674年,他从行星受力平衡的观点出发,根据经过修正的惯性原理,提出了行星运动的理论,并在1679年给牛顿的信中正式提出了引力与距离的平方成反比这个观点,但因为缺乏数学手段,非常遗憾地没有得出定量的表示。

胡克一生中最重要的发现是胡克定律(弹性定律),这也是力学中最重要的基本定律之一。直到今天,仍是物理学中的重要基本理论。胡克定律指出:在弹性范围内,弹簧的弹力f和弹簧的长度变化量x成正比,即f=-kx。k是物质的弹性系数,它由材料的性质所决定,负号表示弹簧所产生的弹力与其伸长(或压缩)的方向相反。为了证明这一定律,胡克做了大量的实验,其中包括由各种材料所制成的各种形状的弹性体。

另外,胡克对生物学、天文学等方面也有贡献。他曾用自己制造的望远镜观察了火星的运动。用自己制造的显微镜观察植物组织,于1665年发现了植物细胞(实际看到的是细胞壁),并将其命名为“cell”,至今仍被人们使用。

胡克的发明、发现和创造是非常丰富的。他曾经协助波义耳发现了波义耳定律。他曾经发明过发条控制的摆轮、空气唧筒、轮形气压表等多种仪器。他还同惠更斯各自独立发现了螺旋弹簧的振周期的等时性等。除此之外,他还研究过云母的颜色、肥皂泡的光彩等诸多光学问题。

客观的说,在力学和光学方面,胡克是仅次于牛顿的伟大科学家。

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