第二章學生物理發明啟迪1
1.溫度計的發明和改進
冷熱的觀念古已有之，但形成科學概念卻經曆了漫長的過程。很多科學家都曾為此大傷腦筋。這裏的關鍵在於如何定量表示冷熱的程度。
早在我國戰國時期，我們的老祖宗就已經根據水結冰來推知氣溫下降的程度。漢代初年有一種“冰溫度計”，按文獻記載，“睹瓶中之冰而知天下之寒暑”。意思是說，觀察瓶裏冰的融化或增厚，就可知氣溫的變化。
古人也知道利用光的顏色判斷溫度的高低，“爐火純青”就是形容爐溫達到最高點時火焰從紅色變成青色的意思。
最早有意識地依靠熱脹冷縮來顯示溫度高低的是16世紀的幾位科學家，其中有著名物理學家伽利略。他發明了第一支溫度計，時間大約是1593年。據他的學生描述，有一天，伽利略取一個雞蛋大小的玻璃泡，玻璃泡接到像麥秸一般粗的玻璃管一端，管長約半米。用手掌將玻璃泡握住，使之受熱，然後倒轉插入水中，等玻璃泡冷卻後，水升高二三十厘米。伽利略用水柱的高度表示冷熱程度，測量了不同地點、不同時候、不同季節的相對溫度。
伽利略曾經學過醫學，顯然他是想利用這個溫度計來測量人體的體溫。但他的溫度計有一個重大缺點，就是大氣壓會對水柱高度產生影響，而且溫度計插在水盆裏用起來很不方便。
法國化學家雷伊(J.Rey)將伽利略的溫度計做了一點改進，他把玻璃泡調頭放在下方，從上麵灌進一定量的水，於是溫度計便可以攜帶了。但水會蒸發，溫度仍然不很可靠。不久，在意大利出現了把酒精或水銀密封在玻璃泡中做成的溫度計。為了表示溫度的高低，在玻璃管上標有刻度，管子太長，就做成螺旋狀。可惜，刻度沒有統一標準，不適於推廣使用。
德國的格裏克(O.V.Guericke)在1660～1662年間創製的溫度計頗為壯觀。該溫度計高達20英尺(約6米)，由一個中空的大銅球殼及一細長的U形銅管構成，管中灌有一定量的酒精，開口一端的液麵上漂移著一銅箔杯，杯子通過繩經滑輪吊著一個小天使，通過小天使的升降來指示氣溫的高低，刻度上標明“大熱”、“大冷”等字樣。
通過實踐，科學家們逐漸認識到，為了有效地測量溫度，必須選取某些溫度作為標準點。
惠更斯推薦水的冰點和沸點作為標準，玻意耳認為冰點會隨緯度改變，建議用大茴香油的凝固點作為標準。牛頓則選用融雪溫度和人體溫度作為溫標，並將這中間分成12等份。1703年，丹麥學者羅默(Romer)則選用冰、水和食鹽的混合溫度作為零度，因為這是當時所能達到的最低溫度。
德國人華倫海特(D.G.Fahrenheit)從羅默的工作中得到啟發，也研究了溫度標準。1714年，他用水銀代替酒精作為測溫物質，於是就有可能利用水的沸點。他做了許多實驗研究水的沸騰，認識到水的沸點在大氣壓一定的條件下是固定的，不同的大氣壓下，沸點會有所改變。他把結冰的鹽水混合物的溫度定為零度，以健康人的體溫定為96度，中間的32度正好是冰點，後來又確定水的沸點為212度，這就叫華氏溫標，以°F表示。
華倫海特的工作推動了精確溫度計的發展，在歐洲大陸，他的溫度計使用很普遍。
瑞典天文學家攝爾薩斯(A.Celsius)1742年創製的溫度計是在水的冰點和沸點間分為100等份。不過，他為了避免冰點以下出現負溫度，定冰點為100度，沸點為0度，和現行的攝氏溫標(以℃表示)正好相反。我們現在的攝氏溫標是1743年法國人克利斯廷(Christin)首先采用的。從伽利略到攝爾薩斯，大約經過了180年，在這些漫長的歲月裏，溫度計幾經滄桑，逐漸完善。有了溫度計，沒有溫度標準和分度規則也是不行的。而溫度標準則有待於物態變化的研究。所以，溫度計的發展曆經這麼長的時間，而一旦建立了完善的測量溫度的方法，熱學的實驗研究也就蓬勃展開了。
2.望遠鏡和顯微鏡的發明
透鏡是最簡單的光學儀器，借助它的放大作用，人們可以擴大視力。早在公元前424年，古希臘的一部喜劇中有這樣的台詞：“用透明無瑕的石頭點火吧!”透明的石頭就是玻璃。一千多年以後，才有人用透鏡製成眼鏡。有一幅據說是1352年的教堂壁畫，畫中一位戴眼鏡的技師正在刻字，說明眼鏡的使用跟印刷技術的發展有關。這大概是有關眼鏡的最早記載。
望遠鏡的發明有點偶然性。第一個望遠鏡是荷蘭的一位眼鏡製造師利佩希於1608年做成的。據說，有一天利佩希無意地將一塊雙凸透鏡和一塊雙凹透鏡組合在一起，對準附近的一座教堂尖頂上的風標，隻見風標明顯地放大了，距離似乎也近了，使他又驚又喜，後來他還為此申請專利，引起了一場發明權之爭。
望遠鏡的發明雖屬偶然，但在荷蘭首先發明卻不是偶然的，因為當時荷蘭的眼鏡片製造業比較發達。幾百年來，荷蘭在研磨玻璃和寶石方麵已發展了一套全麵的技術，居於領先地位，為望遠鏡的發明準備了條件。
當時許多人對望遠鏡的熱心純屬好奇。有人視之為玩具；有人視之為生財之道；但是，也有人是從科學的需要出發，認為找到了極有用的觀察工具，可以幫助人們擴大眼界。伽利略就是其中的一位。1609年當他得知發明望遠鏡的消息後，他激動不已，立即親自動手製作望遠鏡，然後用來進行天文觀測。1610年，伽利略在他的著作《星際信使》一書中寫道：“大約10個月以前，消息傳到我的耳朵，說有一位荷蘭人發明了一種儀器，可以用來使遠方物體像近處物體一樣清楚。這使我思量我自己如何也來建造這樣的儀器。由於有光學定律的指導，我想出了這樣的主意，即把兩透鏡固定在管筒的兩頭，一個是平凸透鏡，一個是平凹透鏡，當我把眼睛貼近平凹透鏡時，物體就像隻有大約實際距離的1／3遠，大小為實際的9倍。我曆盡艱辛，也不吝惜錢財，終於成功地做出了精良的儀器，使我能看到幾乎比肉眼所見大1000倍的物體，而距離隻是原來的1／30。”
伽利略用他自製的望遠鏡觀察月亮，發現月球上有許多山嶺和火山口；對準木星，發現木星有衛星；對準太陽，發現了黑子，還從黑子判定太陽也在轉動。
伽利略多年用望遠鏡觀察天體，以確鑿的證據支持了哥白尼的日心說。可能是由於沒有保護措施，長期直接觀測太陽，他在晚年時不幸雙目失明。
伽利略的望遠鏡以凹透鏡作為目鏡，觀察到的是正像，但視場較小。開普勒采用凸透鏡作目鏡，可以得到更大的視場，看到的是倒立的像。後來他加了第三個目鏡，又把倒像變為正像，就成了現代天文望遠鏡的雛形。
惠更斯也對望遠鏡的改進作出過貢獻。他為避免透鏡的像差，設計出一種長焦距望遠鏡——高空望遠鏡，將物鏡和目鏡分別安裝在支架的高處和低處，省去了通常的鏡筒。
牛頓在年輕的時候製作了一種與眾不同的反射式望遠鏡。他認為透鏡成像是基於折射原理，不可避免會由於色差和其他原因產生像差。如果利用凹麵鏡的反射和聚焦作用，有可能做出更為理想的望遠鏡，不但可以避免像差，而且還可以大大縮短鏡筒長度。
牛頓親自動手研磨反射鏡，第一台長僅15厘米，口徑為25厘米，可用來觀察木星的衛星及金星的周相。後來又製作了一台較大的反射式望遠鏡，送給皇家學會，該望遠鏡現仍保存在博物館中。
顯微鏡和望遠鏡一樣，最早也是荷蘭的眼鏡製造者發明的，用的也是一凸一凹的透鏡，鏡筒長約45厘米，直徑約5厘米。這種結構和望遠鏡基本相同。伽利略就曾用他的望遠鏡看過微小物體，並形容說：“我看到的蒼蠅就像羊羔那樣大。”
胡克對顯微鏡的推廣使用起了特殊的作用。1665年他的著作《顯微術》出版，這是最早論述顯微鏡的專著，書中詳細介紹了顯微鏡的使用方法，並附有胡克親筆畫的顯微鏡插圖和許多用顯微鏡觀察微小物體所得的圖像。胡克多才多藝，早年曾在倫敦一位肖像畫家那裏當過學徒，後在牛津大學學習物理。英國皇家學會成立後，他被選為秘書和實驗組長。皇家學會很重視顯微鏡的應用，鼓勵胡克從事這項研究，並要求他每次例會至少要帶來一張顯微鏡觀測圖。胡克還用顯微鏡觀察軟體結構、發現了細胞組織，成為用顯微鏡研究生物學的先驅者。
3.氣壓計的發明
真空一般是指氣壓很低的空間。人們為了研究大氣壓強，做了很多實驗。著名的托裏拆利實驗就是其中的一個。根據這個實驗，托裏拆利(E.Torricelli)發現了真空，從而破除了前人一直認為“自然界厭惡真空”的傳統說法。
其實，自然界並不厭惡真空，古代科學家之所以主張“自然界厭惡真空”，是因為在當時的條件下真空是一種無法實現的境界。他們用這一理由解釋抽水機的作用。到了伽利略時代，這種觀念開始遭到懷疑。伽利略根據深井抽水，高不過10米的實際經驗作出判斷，認為這種“厭惡”是有限度的。他做了一個實驗，希望測出抽水機中真空的力。他的裝置是一個金屬圓筒，內有一木質活塞，活塞中間開有一小口，一鐵絲穿過。先將活塞壓到圓筒底部附近，然後翻過來。鐵絲的上端有一圓錐形頭，注入少量的水正好把小口封住，這時在鐵絲的另一端的掛鉤上吊一隻桶，桶裏加有沙子或其他重物，直到活塞脫離圓筒為止。稱出活塞、沙桶和鐵絲的重量就可以得到真空的力，也就是自然界對真空的阻力。
伽利略解釋說，抽水機不能把水抽過10米高，就是因為自然界對真空的阻力是有限的。伽利略雖然沒有擺脫自然界厭惡真空的傳統觀念，但是他認識到有可能獲得真空，這為後人的研究開辟了道路。
17世紀40年代意大利有一位物理學家叫伯蒂(G.Berti)，從伽利略的書中得知抽水機不能把水抽過10米高的事情，他表示懷疑，就專門設計了一套規模龐大的裝置。他在樓前架起了一根豎直長管，底端沉入水中，用活塞塞緊，然後在管中灌滿了水，上端密封好。打開活塞，水柱下落，這時伯蒂證實，水柱確實隻能維持10米的高度。他還在水管的頂端安放了一隻鈴鐺和一把小錘，水柱落下，鈴鐺和小錘處於真空之中，應該聽不到鈴聲，可是，也許是金屬手柄傳導的緣故，伯蒂這一實驗不很成功，鈴聲還是傳出來了。