第1章近代自然科学的初步发展

第一讲 近代自然科学的初步发展及第一次产业技术革命 第一章第一章 近代自然科学的初步发展近代自然科学的初步发展 第二章第二章 第一次产业技术革命第一次产业技术革命第一章第一章 近代自然科学的初步发展近代自然科学的初步发展第一章第一章 近代自然科学的初步发展近代自然科学的初步发展14世纪发端于意大利、随世纪发端于意大利、随后波及整个欧洲的文艺复兴运后波及整个欧洲的文艺复兴运动，是一场思想文化解放运动动，是一场思想文化解放运动。文艺复兴不仅创造了近代的。文艺复兴不仅创造了近代的古典文学和艺术，而且由于它古典文学和艺术，而且由于它对经院哲学的蔑视和拒斥、对对经院哲学的蔑视和拒斥、对现实世界和世俗生活的关注、现实世界和世俗生活的关注、对古典文化资源的挖掘，为近对古典文化资源的挖掘，为近代自然科学的诞生创造了非常代自然科学的诞生创造了非常有利的文化氛围。有利的文化氛围。文艺复兴之城文艺复兴之城 佛罗伦撒佛罗伦撒文艺复兴，是文艺复兴，是 14至至 16世纪世纪 在在 欧欧洲洲 兴起的一个思想文化运动，带来兴起的一个思想文化运动，带来一段一段 科学科学 与与 艺术艺术 革命时期，揭开了革命时期，揭开了现代现代 欧洲欧洲 历史的序幕，被认为是中历史的序幕，被认为是中古时代和近代的分界。古时代和近代的分界。 马克思主义马克思主义史学家认为是史学家认为是 封建主义封建主义 时代和时代和 资本资本主义主义 时代的分界。文艺复兴不仅创时代的分界。文艺复兴不仅创造了近代的古典文学和艺术，而且造了近代的古典文学和艺术，而且为近代自然科学的诞生也创造了非为近代自然科学的诞生也创造了非常有利的文化氛围。常有利的文化氛围。列奥纳多列奥纳多 达达 芬奇芬奇 的人体的人体比例，表现了文艺复兴时期比例，表现了文艺复兴时期把把 艺术艺术 与与 科学科学 结合的特色结合的特色 第一章第一章 近代自然科学的初步发展近代自然科学的初步发展 宗教改革运动从宗教改革运动从 14、 15世纪开始，世纪开始，在西欧与中欧国家兴起，它打破了教在西欧与中欧国家兴起，它打破了教会的精神独裁，为自然科学从神学中会的精神独裁，为自然科学从神学中解放出来创造了必要的社会前提。解放出来创造了必要的社会前提。最后的审判最后的审判 米开朗基罗米开朗基罗大卫大卫米开朗基罗米开朗基罗第一章第一章 近代自然科学的初步发展近代自然科学的初步发展 在意大利和地中海沿岸的一些城市，由手工艺人集合在一起集体在意大利和地中海沿岸的一些城市，由手工艺人集合在一起集体劳动的手工工场也开始出现了，它的出现促进了生产技术改进、分劳动的手工工场也开始出现了，它的出现促进了生产技术改进、分工和协作的发展，为进一步改进技术和使用机器创造了条件。工和协作的发展，为进一步改进技术和使用机器创造了条件。文艺复兴时期制作乐器的工场文艺复兴时期制作乐器的工场 工人正在进行印刷工作工人正在进行印刷工作第一章第一章 近代自然科学的初步发展近代自然科学的初步发展 15世纪下半叶，新工厂主、商世纪下半叶，新工厂主、商人的经济实力愈加雄厚，他们要人的经济实力愈加雄厚，他们要求扩大贸易和到海外寻找财富，求扩大贸易和到海外寻找财富，应运而生的远航探险和地理大发应运而生的远航探险和地理大发现对欧洲的社会和科学技术产生现对欧洲的社会和科学技术产生了极大的促进作用。了极大的促进作用。意大利航海家哥伦布塑像意大利航海家哥伦布塑像 哥伦布归航后觐见国王哥伦布归航后觐见国王第一章第一章 近代自然科学的初步发展近代自然科学的初步发展 中国、印度和阿拉伯等国的科技传入欧洲后，对欧洲的社中国、印度和阿拉伯等国的科技传入欧洲后，对欧洲的社会发展和科学技术进步产生了巨大的推动作用。会发展和科学技术进步产生了巨大的推动作用。 英国政治家英国政治家、哲学家培根、哲学家培根 (F. Bacon， 15611626) 在在 1620年就曾指出，年就曾指出，“ 三大发明三大发明 ” 改变了整个世界事物的面貌和状态；没有一个改变了整个世界事物的面貌和状态；没有一个帝国、没有一个教派、没有一个大人物对人类事务的影响，帝国、没有一个教派、没有一个大人物对人类事务的影响，能做这三种发明那样巨大和深远。能做这三种发明那样巨大和深远。印刷术：唐代时传到日印刷术：唐代时传到日本，公元本，公元 12世纪传到埃世纪传到埃及，及， 14世纪传入欧洲，世纪传入欧洲，为欧洲科学的兴起及文为欧洲科学的兴起及文艺复兴运动提供了重要艺复兴运动提供了重要的物质条件的物质条件 。第一章第一章 近代自然科学的初步发展近代自然科学的初步发展1.1 科学革命的突破科学革命的突破1.1.1 天文学革命天文学革命天文学作为一门古老的学科天文学作为一门古老的学科，研究广阔空间中天体的位置、，研究广阔空间中天体的位置、分布、运动、形态结构、物理状分布、运动、形态结构、物理状态、化学组成和演化规律。态、化学组成和演化规律。古代人为了生产等需要，已古代人为了生产等需要，已经开始有目的地对星体、日、月经开始有目的地对星体、日、月进行观察记录。古希腊天文学对进行观察记录。古希腊天文学对后世有很大影响，柏拉图提出地后世有很大影响，柏拉图提出地球的中心思想，后由托勒密发展球的中心思想，后由托勒密发展为地心说。为地心说。托勒密的地心说体系托勒密的地心说体系在托勒密的地心说看来，地球处于宇宙的中心，静止不动，在托勒密的地心说看来，地球处于宇宙的中心，静止不动，太阳及其他行星围绕着地球运行为了解释与弥合天文观测的差太阳及其他行星围绕着地球运行为了解释与弥合天文观测的差距，托勒密构造出本轮距，托勒密构造出本轮 均轮体系。以使地球中心体系符合观察均轮体系。以使地球中心体系符合观察到的星体运动路径。在中世纪西方、教会将其纳入到严密而庞大到的星体运动路径。在中世纪西方、教会将其纳入到严密而庞大的神学体系中，作为上帝创世说的一个不可缺少的组成部分，这的神学体系中，作为上帝创世说的一个不可缺少的组成部分，这样一来。原本很单纯的天文学理论样一来。原本很单纯的天文学理论 地心说地心说 就变成了维护就变成了维护教会权威的一个重要理论支柱。教会权威的一个重要理论支柱。本轮 均轮图1.1 科学革命的突破科学革命的突破尼古拉尼古拉 哥白尼，波兰伟大的哥白尼，波兰伟大的天文学家、太阳中心说的创始天文学家、太阳中心说的创始人、近代天文学的奠基人。人、近代天文学的奠基人。 随着时间延长，随着时间延长， “地心说地心说 ”与实际的与实际的偏离越来越大。偏离越来越大。 哥白尼经过数十年的观察哥白尼经过数十年的观察和研究，终于建方起以太阳为中心的宁宙和研究，终于建方起以太阳为中心的宁宙体系体系 “ 日心说日心说 ”。日心说认为，地球是。日心说认为，地球是一颗普通的行星，它既有绕自转轴的自转一颗普通的行星，它既有绕自转轴的自转，又与其他行星一起围绕宇宙中心，又与其他行星一起围绕宇宙中心 太太阳旋转。这就使得以前看来极不协调的种阳旋转。这就使得以前看来极不协调的种种天象变得简单而和谐。种天象变得简单而和谐。哥白尼的著述哥白尼的著述1.1 科学革命的突破科学革命的突破日心说，是天文学上一次伟大的革命，不仅引起了人类宇宙观的重大革新，而且从根本上动摇了欧洲中世纪宗教神学的理论支柱。 “ 从此自然科学便开始从神学中解放出来 ” ， “ 科学的发展从此便大踏步前进 ” （恩格斯 自然辩证法 ）。 哥白尼的 天体运行论 （ 1543年出版），由于受到时代的局限，在日心说中保留了所谓 “ 完美的 ” 圆形轨道等论点。其后开普勒 建立行星运动三定律， 牛顿 发现万有引力定律，以及行星光行差、视差相继发现，日心说遂建立在更加稳固的科学基础上。 1.1.2 医学生理学革命医学生理学革命自古以来，医学实践一直是人类活动的一个极为重要的方面自古以来，医学实践一直是人类活动的一个极为重要的方面，研究疾病产生、性质和治疗以及研究人体结构和功能，始终是，研究疾病产生、性质和治疗以及研究人体结构和功能，始终是自然科学不可缺少的组成部分。文艺复兴以来，一批艺术家、自然科学不可缺少的组成部分。文艺复兴以来，一批艺术家、医学家从事人类解剖学和解剖生理学的研究医学家从事人类解剖学和解剖生理学的研究。比利时医生维萨留斯比利时医生维萨留斯发表发表 人体结构人体结构 ，并证，并证明男女肋骨数目相同。他明男女肋骨数目相同。他的结论动摇了天主教的教的结论动摇了天主教的教条，并因此受到迫害。右条，并因此受到迫害。右图为维萨留斯在书中描绘图为维萨留斯在书中描绘的人体静脉系统，其精密的人体静脉系统，其精密 程度另人赞叹。程度另人赞叹。维萨留斯维萨留斯1.1 科学革命的突破科学革命的突破17世纪，英国科学家哈维找到了血液世纪，英国科学家哈维找到了血液流通的途径，为人们充分了解人和流通的途径，为人们充分了解人和 动物的动物的生理学开辟了新的途径。哈维从生理学开辟了新的途径。哈维从 实验入手，实验入手，做了绑扎人体上臂血管和计做了绑扎人体上臂血管和计 算血流量的实算血流量的实验。他发现，动脉和静脉中血液流动的方验。他发现，动脉和静脉中血液流动的方向相反。向相反。 哈维还对血流量哈维还对血流量进行了计算，从而发进行了计算，从而发现，血液在全身沿着现，血液在全身沿着一个闭合路径作循环一个闭合路径作循环运动。血液循环理论运动。血液循环理论的建立，具有重要的的建立，具有重要的科学价值。科学价值。 捆扎上臂血管实验捆扎上臂血管实验哈维哈维血液循环血液循环在血液循环理论的建立过程中，由于社会条件的原因，在血液循环理论的建立过程中，由于社会条件的原因，充满着艰辛的斗争。教会为了神学的需要，把盖仑的医学理论充满着艰辛的斗争。教会为了神学的需要，把盖仑的医学理论绝对化、凝固化，用来论证宗教神学的结论。绝对化、凝固化，用来论证宗教神学的结论。 除了维萨留斯受除了维萨留斯受到了教会的迫害以外，塞尔维特也因其异端的神学观点被加尔到了教会的迫害以外，塞尔维特也因其异端的神学观点被加尔文派新教逮捕并处以死刑，在烧死之前还活活烤了两个钟头。文派新教逮捕并处以死刑，在烧死之前还活活烤了两个钟头。血液循环理论的建立，具有重要的科学价值，成了临床血液循环理论的建立，具有重要的科学价值，成了临床医学的理论基础、同时也成了近代生理学的重要基础。在哈维医学的理论基础、同时也成了近代生理学的重要基础。在哈维以后，比较解剖学、人体生理学、医学等生物学学科逐步建立以后，比较解剖学、人体生理学、医学等生物学学科逐步建立起来。起来。1.2.1 开普勒对天空开普勒对天空 “立法立法 ”1600年，开普勒到布拉格担任 第谷第谷 的助手。 1601年第谷去世后，他继承了第谷的事业，利用第谷多年积累的观测资料，仔细分析研究，发现了行星沿椭圆轨道运行，并且提出行星运动三定律（即开普勒定律），为 牛顿 发现万有引力定律打下了基础。1.2 经典力学的奠基经典力学的奠基开普勒（ Johannes Kepler， 1571-1630），德国天文学家。开普勒是德国近代著名的天文学开普勒是德国近代著名的天文学 家、数学家、物理学家和哲学家。他家、数学家、物理学家和哲学家。他 以数学的和谐性探索宇宙，在天文学以数学的和谐性探索宇宙，在天文学 方面做出了巨大贡献。开普勒是继哥方面做出了巨大贡献。开普勒是继哥 白尼之后第一个站出来捍卫太阳中心白尼之后第一个站出来捍卫太阳中心 说、并在天文学方面有突破性成就的说、并在天文学方面有突破性成就的 人物，被后世科学史家称为人物，被后世科学史家称为 “ 天空的天空的 立法者立法者 ” 。开普勒生在德国威尔的一。开普勒生在德国威尔的一 个贫民家庭，个贫民家庭， 1587年，他进入蒂宾根年，他进入蒂宾根 大学，很快成为哥白尼学说的忠实维大学，很快成为哥白尼学说的忠实维 护者。后来，由于学校被天主教会控护者。后来，由于学校被天主教会控 制，开普勒离开神学院前往布拉格，制，开普勒离开神学院前往布拉格， 与卓越的天文学家第谷一起专心地从与卓越的天文学家第谷一起专心地从 事天文观测工作。他充分利用了第谷事天文观测工作。他充分利用了第谷 布拉赫留下的大量精确的布拉赫留下的大量精确的天文观测资料，改进了哥自尼的学说确立了行星运动三定律，天文观测资料，改进了哥自尼的学说确立了行星运动三定律，为天体力学的诞生提供了坚实的基础。为天体力学的诞生提供了坚实的基础。开普勒开普勒开普勒主要著作有 宇宙的神秘 、 光学 、 宇宙和谐论 、 哥白尼 天文学概要 、 彗星论 和 稀奇的 1631年天象 等。其中，在 宇宙和谐论 中，开普勒找到了最简单的世界体系，只需 7个椭圆就可以描述天体运动的体系了； 在 彗星论 中，他指出彗星的尾巴总是背着太阳，是因为太阳排斥彗头的物质造成的，这是距今半个世纪以前对辐射压力存在的正确预言；此外，开普勒还发现了大气折射的近似定律。 1.椭圆定律椭圆定律 ： 开普勒的行星运动第一定律指出，行星的运动轨道不是传统认为的正圆形。而是椭圆形；而太阳处于椭圆焦点之一的位置上。 开普勒第一定律开普勒第一定律2 等面积定律等面积定律 ：在行星与太阳间作一条直线，则此直线：在行星与太阳间作一条直线，则此直线在行星运动时于相同时间内扫过相等的面积。在行星运动时于相同时间内扫过相等的面积。3 和谐定律和谐定律 ：行星运动周期：行星运动周期 T 的平方正比于行星与太阳平均距的平方正比于行星与太阳平均距离离 R 的三次方，记为：的三次方，记为：开普勒第二定律开普勒第二定律1.2.2 伽利略对地面物体的研究伽利略对地面物体的研究主要贡献：主要贡献：力学力学 伽利略是第一个把实验引进力学伽利略是第一个把实验引进力学的科学家，他利用实验和数学相结合的方 的科学家，他利用实验和数学相结合的方法确定了一些重要的力学定律。 法确定了一些重要的力学定律。 伽利略伽利略 伽利伽利意大利物理学、天文学家，实验物理学的意大利物理学、天文学家，实验物理学的先驱者，提出著名的相对性原理、惯性原理、先驱者，提出著名的相对性原理、惯性原理、抛体的运动定律、摆振动的等时性等。抛体的运动定律、摆振动的等时性等。 关于关于两门新科学的对话和数学证明对话集两门新科学的对话和数学证明对话集 总结了总结了他的科学思想以及在物理学和天文学方面的研他的科学思想以及在物理学和天文学方面的研究成果。究成果。 天文学天文学 他是利用他是利用 望远镜望远镜 观测天体取得大量成果的第一位科学家观测天体取得大量成果的第一位科学家。 哲学哲学 他一生坚持与唯心论和教会的经院哲学作斗争，主张用具他一生坚持与唯心论和教会的经院哲学作斗争，主张用具体的实验来认识自然规律，认为经验是理论知识的源泉。体的实验来认识自然规律，认为经验是理论知识的源泉。 伽利略发现伽利略发现的四颗卫星的四颗卫星伽利略著名的伽利略著名的 “斜面实验斜面实验 ”伽利略的最主要贡献或最主要的贡献之伽利略的最主要贡献或最主要的贡献之一在于对于地面物体运功的研究。一在于对于地面物体运功的研究。 1638年出年出版的他的版的他的 关于两门自然科学的对话和数学关于两门自然科学的对话和数学证明证明 一书，是他对地面物体起动研究的一一书，是他对地面物体起动研究的一个总结。在该书中，伽利略叙述了个总结。在该书中，伽利略叙述了 “ 斜面实斜面实验验 ” 。 亚里士多德认为两个物体以同一高度落亚里士多德认为两个物体以同一高度落下，重的比轻的先着地。但伽利略经过反复下，重的比轻的先着地。但伽利略经过反复的研究与实验后，得出与之截然相反的结论的研究与实验后，得出与之截然相反的结论：物体下落的快慢与重量无关。：物体下落的快慢与重量无关。斜面试验斜面试验比萨斜塔比萨斜塔综合斜面实验的过程，可以设计和制造一个光滑的斜面和平综合斜面实验的过程，可以设计和制造一个光滑的斜面和平面面 (如图中由如图中由 A经经 B至至 C)，再用一个光滑的球由，再用一个光滑的球由 A经斜面落下。经过经斜面落下。经过多次的反复实验，伽利略得到以下的结论：多次的反复实验，伽利略得到以下的结论： 1. 在斜面在斜面 AB上，小球作加速运动。在斜面倾角一定时，无论上，小球作加速运动。在斜面倾角一定时，无论小球重量如何，加速度值都一样，在斜面上滚动的铜球所经过的小球重量如何，加速度值都一样，在斜面上滚动的铜球所经过的各种距离总是同所用时间的平方成比例。这就是伽利略发现的各种距离总是同所用时间的平方成比例。这就是伽利略发现的 自自由落体定律由落体定律 。AB CD2.在小球落到在小球落到 B点并沿点并沿 BC平面滑动时，在运动方向上小球并不平面滑动时，在运动方向上小球并不受力。但它仍然按起始速度作匀速直线运动。如果受力。但它仍然按起始速度作匀速直线运动。如果 BC足够长，小足够长，小球将永远保持原速。这个说法也就是球将永远保持原速。这个说法也就是 惯性定律惯性定律 。这一发现表明速。这一发现表明速度并不是由外力引起的，力是产生加速度的原因而不是产生速度度并不是由外力引起的，力是产生加速度的原因而不是产生速度的原因。的原因。3.如果小球运动至平面的一端的如果小球运动至平面的一端的 C点落下，一方面物体要保持点落下，一方面物体要保持匀速运动继续前进，另一方面它又要在垂直方向下落，于是物体匀速运动继续前进，另一方面它又要在垂直方向下落，于是物体呈现出呈现出 抛体运动抛体运动 状态，图中即小球将沿半抛物线状态，图中即小球将沿半抛物线 CD落至落至 D点。点。伽利略的研究成果，为后来牛顿的进一步综合奠定了基础。伽利略的研究成果，为后来牛顿的进一步综合奠定了基础。AB CD1.3 近代科学的第一次大综合近代科学的第一次大综合1.3.1 牛顿的综合牛顿的综合在哥白尼、开普勒关于天体运动规律和伽利略关于地面物在哥白尼、开普勒关于天体运动规律和伽利略关于地面物体的动力学研究的基础上。牛顿展开了更全面的分析、综合和体的动力学研究的基础上。牛顿展开了更全面的分析、综合和概括工作，终于建立了经典力学体系，实现了近代科学史上的概括工作，终于建立了经典力学体系，实现了近代科学史上的第一次大综合。第一次大综合。英国著名诗人英国著名诗人 Pope写道：写道：自然界和自然界的规律隐自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，藏在黑暗中，上帝说：上帝说： “ 让牛顿去吧！让牛顿去吧！ ”于是一切成为光明。于是一切成为光明。牛顿在著名的牛顿在著名的 自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理 一书中，给出了一种一书中，给出了一种力的定义：力的定义： “施加的力是能够使物体改变它的静止状态或匀速直线施加的力是能够使物体改变它的静止状态或匀速直线运动状态的一种作用运动状态的一种作用 ”。这几乎就是力的现代定义。事实上，力是。这几乎就是力的现代定义。事实上，力是代表物体间的一种相互作用，由于这种作用，物体会改变速度，代表物体间的一种相互作用，由于这种作用，物体会改变速度，即获得加速度。即获得加速度。 自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理 在定义了力的概念以后，在定义了力的概念以后， 牛顿在伽利略关于物体运动研牛顿在伽利略关于物体运动研究的基础上，总结出来有关地究的基础上，总结出来有关地面物体运动定律。面物体运动定律。牛顿第一定律牛顿第一定律 又称惯性定律：任何物体都保持静止或匀速直又称惯性定律：任何物体都保持静止或匀速直线运动状态，知道其它任何物理所作用的力迫使它改变这种状态线运动状态，知道其它任何物理所作用的力迫使它改变这种状态为止。为止。牛顿第二定律牛顿第二定律 又称运动基本定律：物体在受到外力时，物理又称运动基本定律：物体在受到外力时，物理所获得的加速度的大小和外力成正比，而与物体的质量成反比，所获得的加速度的大小和外力成正比，而与物体的质量成反比，加速的的方向与外力方向相同。加速的的方向与外力方向相同。牛顿第三定律牛顿第三定律 又称作用和反作用定律：作用力与反作用力大又称作用和反作用定律：作用力与反作用力大小相等，方向相反，分别作