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惠斯通和他的科技成就

来源:网络资源 2009-09-01 20:59:29

 

查尔斯·惠斯通(Charle Wheatstone 1802-1875年)是19世纪英国著名的物理学家,他一生在多个方面为科学技术的发展做出了贡献,本文对其取得的主要成就作一讨论.

 1802年2月6日,惠斯通出生于英格兰的洛斯特(Gloucester)附近的一个乐器制造商之家.1816年,年仅14岁的惠斯通就到伦敦当徒工学习乐器制造,1823年他便在伦敦开业制造乐器,同时进行声振动的实验研究.惠斯通没有受过任何正规的科学教育,但他善于学习、思考和钻研,通过自学迈入了科学殿堂,早在当乐器制造师期间就取得了显著的科技成就.受职业背景的影响,惠斯通早期的科学研究主要集中在声学和光学领域,他在这方面不但做出了一些重要发明,而且写出了有价值的科学论文.当他的部分论文被译成法文和德文后,惠斯通就成为当时科学界颇有影响的人物之一,因而,1834年他被任命为伦敦国王学院实验物理学教授1

 惠斯通在国王学院仅讲过很少部分的声学课程,由于他经常过份地怀疑自己的说话能力而造成了严重的心理障碍,结果使他无法从事正常的教学工作,以致使他不久以后就停止了讲课.虽然惠斯通停止了讲课,但国王学院仍为他保留了许多年的教授职称.惠斯通一生坚持从事科学研究,取得了显著的科技成就,同时也因此而获得了许多荣誉.1836年惠斯通当选为英国皇家学会会员;1886年他被封为爵士;1873年他当选为法国巴黎科学院外藉会员.在他的一生中,获得的勋章、奖章、荣誉等大约40种之多2.惠斯通是一位乐器制造师,在制造乐器过程中,他为了明白音调和音色的特性,对声学产生了浓厚的兴趣,同时进行了声音的传播、振动的演示等一系列研究.他在研究过程中不仅发明了乐器,同时还用实验展示声音振动、传播等现象.早在1821年,惠斯通就公开演示了由一根金属丝传递远处钢琴的振动使里拉(一种七弦竖琴)发声的现象.1827年,他发明了万声筒(亦称声音万花筒),利用这一装置能够直观地演示不同振动模式产生的错综复杂的振动曲线特征.1832年,惠斯通用一根管子成功地演示了驻波现象.1833年,他还试验在方形平板上演示不同振动模式的叠加1

  惠斯通是一位杰出的实验物理学家,他具有深刻的实验设计思想和高超的实验技能,在实验领域为物理学的发展做出了重要贡献.1834年,惠斯通提出用旅转镜技术研究快速运动的思想并将旋转镜法应用于测定导线中电的传播速度.他的实验装置是:在一根铜导线上安装三个放电火花束,相邻火花隙之间的距离大约是402米,当导线通过电流时,相邻火花隙就依次产生火花放电,用旋转平面镜技术观察相邻火花隙产生火花的时间间隔,由它们之间的距离和时间间隔就会求得电的传播速度.通过精心实验之后,惠斯通估计电的传播速度大于4.02×10米/秒,这个数值尽管误差较大,但它必竟是人们利用实验手段测量了电的传播速度.此外这个实验最大的意义还在于为人们提供了一种测量快速运动的方法,它对于实验物理学尤其是光速的测定实验产生了深刻影响.1838年,物理学家阿拉果受到惠斯通实验思想的启发,用旋转镜的方法设计了一个比较光在空气和水中的传播速度的实验.1849年,菲索根据旋转镜法的思想,设计了用旋转齿轮法测定光速的实验,首次使人类在实验室条件下测定了光速3.1850年,傅科根据旋转镜法思想,设计并完成了比较光在空气和在水中传播速度的实验,其结果为光的波动理论提供了有力支持.人们测量光速的大多数实验都用了旋转镜方法,其中最著名的迈克尔逊关于光速测定的实验就是基于旋转镜法的思想设计的[4].除测量光速外,旋转镜法还被应用于测量声振动等.

  惠斯通在促进英国人承认欧姆定律的过程中发挥了重要作用.欧姆定律建立于1826—1827年间,由于当时英国人没有形成电学中有关的清晰概念以及对电学规律认识的错误观点[5],因而欧姆定律传入英国后难以被人们接受.1843年惠斯通公布了他用实验对欧姆定律的证明结果,做这个实验的过程中,他还发明了变阻器及惠斯通电桥,借助于变阻器和电桥惠斯通用了一种新的方法测量电阻和电流,通过惠斯通的实验结果,使英国人充分认识到了欧姆定律的正确性.

  惠斯通最重要的工作之一是首次制造了一套实用的电报系统.惠斯通早在研究声学时就推测声音通过长距离传播的可能性,19世纪30年代初他就致力于电报的研究.1837年,惠斯通和库克(W.F.Cooke)发明了五针电报机并取得他们第一个电报专刊,同年,他们又安装了大约1英里长的演示线路.在接下来的岁月中,惠斯通经过研究还发明了印刷电报机和单针电报机,进行海底电报实验,创立“惠斯通?库克”电报公司,这些都促进了英国电报业的迅速发展.例如,从1837年到1852年,英国就已有6400余英里的电报线路投入使用.
  做为一名著名物理学家,惠斯通一生的研究领域涉及面十分广泛,除以上所述之外,他还对光学、听觉、电录音装置、发电机等进行了一系列研究,并取得成果,如发明体视镜、极钟(一种由阳光偏振角确定太阳位置的仪器)等.
 

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