胡克

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罗伯特·胡克,英国科学家,又译罗伯特·虎克(Robert Hooke,1635年7月18日-1703年3月3日),英国博物学家,发明家。1635年7月18日生于英国怀特岛的弗雷斯沃特村,1703年3月3日卒于伦敦。在物理学研究方面,他提出了描述材料弹性的基本定律-胡克定律,在机械制造方面,他设计制造了真空泵,显微镜和望远镜,并将自己用显微镜观察所得写成《显微术》一书,细胞一词即由他命名。在新技术发明方面,他发明的很多设备仍然在使用。除去科学技术,胡克还在城市设计和建筑方面有着重要的贡献。但由于与牛顿的争论导致他去世后少为人知。胡克也因其兴趣广泛,贡献重要而被某些科学史家称为“伦敦的莱奥纳多(达芬奇)”。

胡克是17世纪英国最杰出的科学家之一。他在力学、光学、天文学等多方面都有重大成就。他所设计和发明的科学仪器在当时是无与伦比的。他本人被誉为英国的“双眼和双手”。在光学方面,胡克是光的波动说的支持者。1655年,胡克提出了光的波动说,他认为光的传播与水波的传播相似。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创制。他制作或发明了显微镜、望远镜等多种光学仪器。

资料一

英国物理学家。1635年7月18日生于怀特岛的一个乡村牧师家庭。从小喜好机械。他在威斯敏斯特中学毕业后,1653年作为工读生进入牛津大学学习,担任了r.玻意耳的助手,1663年获硕士学位。1665年担任伦敦格雷舍姆学院几何教授。胡克在牛津大学学习期间就积极参加了牛津和伦敦的科学小组的活动。当小组发展为伦敦的皇家学会后,1662年起任学会的实验主持人。1663年成为正式会员,1677~1683年任学会秘书,并负责出版会刊。在这20多年的学会活动中,胡克担负不少实验和事务性工作。1703年3月3日在伦敦逝世。

胡克是一个多才多艺的实验物理学家、仪器设计师和发明家。他协助玻意耳改进了 o.von盖利克发明的空气泵,改进后的空气泵和近代使用的空气泵形式相近。玻意耳利用它进行过许多演示实验,并建立了玻意耳定律,胡克对当时出现的各种仪器几乎都做过重大改进或创新,如钟表的弹簧摆轮,毛发湿度计、航海仪器、显微镜与望远镜等等(见彩图)。1665年,他出版了生动优美的《显微图集》(Micrographia),第一次把植物、动物和矿物的显微结构显示在人们面前,并引入了细胞(cell)这一名词。

r.胡克(1635-1703)的显微镜

胡克早就注意到弹性体所受的力与其变形之间的比例关系。1678年,他在讲演集《态势的恢复》(de PotentiaRestitutive)中首次公布了他的固体弹性定律:“有多大的伸长量,就有多大的力。”这个定律经过A.-L.柯西于1822年引入应力和应变这一对概念,以及G.格林1837年的改进,成为胡克定律的现代形式,从而打下了弹性理论和材料力学的基础。

在《显微图集》中刊载有胡克观察到的云母、玻片间空气层及薄膜等在光束照射下的彩色环带。他指出颜色与薄膜厚度的关系和颜色变化的周期性;在书中还断言:“发光体的每一脉动和振动都必将形成一个球面并不断扩大,如同投石入水后引起的越来越大的环状波一样。”他还用光在薄膜前后表面反射后的脉冲组合来解释不同颜色的形成。由此可见胡克是光的波动说最早的倡导人之一。i.牛顿的许多光学实验直接受到《显微图集》一书的启发,但他冲破了胡克的颜色理论。

胡克从1661年开始,积极参加了皇家学会研究重力本质的专门委员会的活动,对重力现象进行过一些实验。在1674年《试证地球周年运动》的报告中,他提出“一切天体都具有倾向其中心的吸引力或重力”,“天体在未受其他使其倾斜的作用力前保持直线运动不变”,“离吸引中心越近,吸引力越大”,1679年在给牛顿的信中又进一步提出平方反比关系。由于胡克的数学素养不够,未能解决行星的轨道问题,但他的研究和与牛顿的论争,大大促进了牛顿对万有引力定律的深入研究。

胡克在热学方面曾与c.惠更斯一起断定在常压下冰的熔点及水的沸点为固定点,并建议以水的结冰温度为温度计的零度,他还认为热是物质粒子机械运动的结果。他较早地观察到矿物晶体的有序排列。

胡克涉及的面很广,包含化学中的燃烧问题,生物的呼吸问题,地质学的化石,以及天文观测、地震、海洋、城市建筑设计等等,他的实验技术精湛,物理思想活跃,但受数学素养的限制,对问题的研究往往不能透彻;因此胡克在钟摆、引力、光学、燃烧、生物进化等方面都没有像惠更斯或牛顿等那样获得比较深入而系统的理论成果。

资料二

英国物理学家。 1635年7月18日生于英国怀特岛的弗雷斯沃特村,1703年3月3日卒于伦敦。

胡克在1653年进入牛津大学,后在该校成为R.玻意耳的助手。1662年任伦敦皇家学会实验所的评议员,次年选为皇家学会会员。1665年成为格雷沙姆学院教授,(1677~1683)年任皇家学会秘书。

胡克建立了弹性体变形与力成正比的定律。1660年他在实验中发现螺旋弹簧伸长量和所受拉伸力成正比。1676年在他的《关于太阳仪和其他仪器的描述》(A Description of Helioscopes and Other Instruments)一文中用字谜形式发表这一结果,谜面是ceiiinosssttuv。1678年在他的小册子《势能的恢复──论说明弹跳体能力的弹簧》(Lecturse de Potentia Restituva, or of SpringExplaining the Power of Springing Bodies)一文中公布了谜底:ut tensio sic vis,这句拉丁文的意思是“伸长量和力成正比”。这是关于弹性体胡克定律的最早形式。

胡克对万有引力定律的发现起了重要作用。1679年他写信给I.牛顿,信中认为天体的运动是由于有中心引力拉住的结果,而且认为引力与距离平方应成反比。按照这个想法,地球表面抛体的轨道应该是椭圆,如果地球能穿透,物体将回到原处,而不象牛顿所说的,物体的轨迹是一条螺旋线,最终将绕到地心。牛顿对此没有复信,但接受了胡克的观点,以后在J.开普勒关于行星运动的第三定律基础上用数学方法导出了万有引力定律。1686年牛顿将载有万有引力定律的《自然哲学的数学原理》卷一的稿件送给英国皇家学会时,胡克希望牛顿在序言中能对他的劳动成果“提一下”,但遭到牛顿的断然拒绝。这是后来胡克控告牛顿剽窃他的成果的来由。

胡克其他科学贡献很多。他用显微镜观察软木结构中的“微孔”或“细胞(cell)”(1665年发表),这是生物学中“细胞”一词的起源。他在1672年发现光的衍射现象,并采用光波理论解释这种现象。他认为热是物质粘性机械运动的结果。胡克制造过各种机械,包括万向接头在内。1666年伦敦大火以后,他在重建城市中设计了一些重要建筑物。

资料三

奠定胡克科学天才声望的要数《显微制图》一书。该书于1665年1月出版,每本定价为昂贵的30先令,引起轰动。胡克出生之前很久显微镜就被发明和制造出来,但是,显微镜发明后半个多世纪过去了,却没有像望远镜那样给人们带来科学上的重大发现。直到胡克出版了他的《显微制图》一书,科学界才发现显微镜给人们带来的微观世界和望远镜带来的宏观世界一样丰富多彩。在《显微制图》一书中,胡克绘画的天分得到充分展现,书中包括58幅图画,在没有照相机的当时,这些图画都是胡克用手描绘的显微镜下看到的情景。可惜的是,胡克自己的画像却一张也没有留存下来,据说唯一的一张胡克画像毁于牛顿的支持者之手。《显微制图》一书为实验科学提供了前所未有的既明晰又美丽的记录和说明,开创了科学界借用图画这种最有力的交流工具进行阐述和交流的先河,为日后的科学家们所效仿。1684年时任英国皇家学会会长的塞缪尔·佩皮斯就是看到胡克的这本书,对科学发生了浓厚的兴趣,于是立即购买仪器于1665年2月加入皇家学会。他称赞该书为他一生中所读过的最具天才的书。

胡克对万有引力定律的发现起了重要作用。1679年他写信给牛顿,信中认为天体的运动是由于有中心引力拉住的结果,而且认为引力与距离平方应成反比。按照这个想法,地球表面抛体的轨道应该是椭圆,如果地球能穿透,物体将回到原处,而不像牛顿所说的,物体的轨迹是一条螺旋线,最终将绕到地心。牛顿对此没有复信,但接受了胡克的观点,以后在J.开普勒关于行星运动的第三定律基础上用数学方法导出了万有引力定律。1686年牛顿将载有万有引力定律的《自然哲学的数学原理》卷一的稿件送给英国皇家学会时,胡克希望牛顿在序言中能对他的劳动成果“提一下”,但遭到牛顿的断然拒绝。这是后来胡克控告牛顿剽窃他的成果的来由。

显微镜与望远镜

1665年胡克根据英国皇家学会一院士的资料设计了一台复杂的复合显微镜。有一次他从树皮切了一片软木薄片,并放到自己发明的显微镜观察。他观察到了植物细胞(已死亡),并且觉得他们的形状类似教士们所住的单人房间,所以他使用单人房间的cell一词命名植物细胞为cellua。是为史上第一次成功观察细胞。同年胡克出版了《显微术》一书,该书包括了一些他使用显微镜或望远镜进行的观察,包括上述的软木切片。 胡克所用的显微镜仍然保存在华盛顿国家健康与医学博物馆中。荷兰工匠列文胡克受《显微术》一书启发,对胡克的显微镜镜片进行了改进,对微生物进行了细致的观察,被称为微生物学之父。胡克随后被皇家学会要求确证列文胡克的发现并予以发表。1663年苏格兰天文学家格里高利设计了格里高利望远镜,但在制造时失败了。10年后胡克利用自己高超的机械设计技术成功建设了第一个这种反射望远镜,并使用这一望远镜首次观测到火星的旋转和木星大红斑,月球上的环形山和双星系统。

技术革新

胡克对当时的机械进行了很多改造,并发明了很多新装置。他发明了锚型擒纵机,也发明了摆轮游丝,通过这一装置,可以按周期控制发条宽紧,仍是钟表制作中的关键部件。他也因为这一装置的优先权问题和荷兰物理学家惠更斯产生了长期的争论,直到2006年在英国汉普顿郡一家人的橱柜中发现了胡克的关于皇家学会会议的记录,提供了对胡克有利的证据。他第一个制造出了万向接头,有时候被叫做胡克接头,可以允许刚性杆向任意方向运动,仍广泛应用于车辆的传动装置中。虽然意大利数学家卡尔达诺一世纪前就提出了万能接头的想法,但是没有制造出。还有风向仪,水平仪等装置的发明权也常常归功于他。

胡克定律

1660年他在实验中发现螺旋弹簧伸长量和所受拉伸力成正比。1676年在他的《关于太阳仪和其他仪器的描述》(A Description of Helioscopes and Other instruments)一文中用字谜形式发表这一结果,谜面是ceiiinosssttuv。(这是当时惯例,如果还不能确认自己的发现,则先把发现打乱字母顺序发表,确认后再恢复正常顺序。)两年后公布了谜底ut tensio sic vis,意思是“力如伸长(那样变化)”即应力与伸长量成正比的胡克定律。

参考文章