历史学牛顿时代18世纪ppt模版课件

第二章 牛顿时代和18世纪的科学 第一节第一节 牛顿的科学成就牛顿的科学成就 牛顿的科学成就 爱萨克牛顿（1642 -1727）是英国杰出的物理 学家。他发现了力学三定律 和万有引力定律，是微积分 的创立者之一，并研究过光 学、天文学、化学，在多种 科学里取得过重要成就 牛顿-在几何光学和物理光学方面 牛顿是一个光学实 验家。 牛顿所进行的第一 个著名光学实验是三棱镜 实验，即光的色散实验。 牛顿-在几何光学和物理光学方面 第二个著名的光 学实验是“牛顿环”实验 牛顿发现，在透 镜的曲面与平板玻璃的 接触点上，形成了一个 很大的暗点，而暗点周 围则出现了以暗点为中 心的明暗相间的彩色同 心圆。 牛顿-在几何光学和物理光学方面 在几何光学中，牛顿 通过对几何光学的性质研究 ，发现有可能研制出一种反 射型望远镜。 于1668年、1671年分 别研制出了二台反射型望远 镜。 牛顿-微积分的创立 他创立微积分的方法用的是所谓“流数法”，著有 流数术一书。 他从力学的运动观念出发，把两个变量称为“流”， 而把两个变量的变化率称为“流数”。同时指出：微分的基本 问题，仍是由已知的两个流之间的关系，求它们的流数之间 的关系，而积分不过是微分的逆运算。运用微分和积分可以 解决求极大与极小值的问题，求曲线一点切线的问题，求曲 边图形的面积问题等。 莱布尼兹-创立微积分 莱布尼兹（1646-1716）德 国数学家。差不多和牛顿同时独立 地创造了微积分。 莱布尼兹发明微积分的起点 是求曲线的切线的作法及其计算问 题。在研究过程中，创立的这种新 方法纵坐标差分法。莱布尼兹 所创立的这种新方法的基本特点， 仍是把曲线及其切线置于笛卡儿坐 标系中，求切线问题即可相应地转 变成求横坐标与纵坐标变化率之差 。 贝克莱 英国大主教 1734年，贝克莱以“渺小的哲 学家”之名出版了一本标题很长的 书分析学家；或一篇致一位不 信神数学家的论文，其中审查一 下近代分析学的对象、原则及论 断是不是比宗教的神秘、信仰的 要点有更清晰的表达，或更明显 的推理。 贝克莱悖论 比如说x2的导数，先将 x 取一个不为0的增 量x，由(x+x)2-x2，得到2xx+(x2)，后再被 x除，得到2x+x，最后突然令x=0，求得导数 为2x。 数学史上把贝克莱的问题称之为“贝克莱悖论” 。笼统地说，贝克莱悖论可以表述为“无穷小量究 竟是否为0”的问题：就无穷小量在当时实际应用 而言，它必须既是0，又不是0。 牛顿-绝对空时观 牛顿力学满足伽利略相对性原理，在惯性系之间的 伽利略变换下不变。为了解决惯性运动的起源，也为了 建立体系的需要，牛顿引进了绝对空间和绝对时间的概 念 “绝对空间”是与外界任何事物无关而永远是相同的 和不动的。 “绝对时间”真正的和数学的时间自身在流逝着，而 且由于其本性而均匀地、与任何其它外界事物无关地流 逝着。 牛顿-对力学的大综合 牛顿对力学的大综合主要表现在发现万有引力定律和 力学三定律。 1、万有引力定律：两个物体之间，由于它们具有质 量，因而就产生一种相互吸引力，这就叫“万有引力”。地 面上的物体因受到地球的万有引力作用而有重力，地球和 其他行星之所以绕日运动也与万有引力有关。同样，月球 绕地球运动，其向心力也是由万有引力提供的。 F=Gm1m2/r2 其中m1m2两个质点的质量，r为两个质点之 间的距离，G为引力常数。G这个常数直到1798年，由英 国著名物理学家和化学家卡文迪，运用他的精巧的扭秤实 验，测出这一常数的精确值为6.6710-8cm2/gs2。 牛顿-对力学的大综合 2、经典力学的建立 牛顿在发现万有引力定律的过程中，同时发现了著名的牛顿力 学三定律。 第一定律：亦称惯性定律，在不受外力作用霞，任何物体都保 持原有的静止或匀速直线运动状态。 第二定律：物体在外力作用下产生加速度，加速度的大下与所 受外力成正比，与物体质量成反比，加速度的方向与外力的方向相 同。F=ma 第三定律：当体甲给乙一个作用力时，物体乙必然同时给物体 甲一个反作用力，作用力与反作用力大小相等，方向相反，作用在 同一条直线上。 牛顿-自然哲学的数学原理 牛顿的经典力学成果，集中 地反映在他的自然哲学的数学 原理这以巨著中。原理写 于1684年底致1687年4月，全书 共分三卷。牛顿在这一著作中所 讨论的自然现象的普遍性，以及 他所运用的数学方法的严谨性， 使这一著作无愧为经典力学的奠 基之作，也无愧为近代科学的奠 基之作。 经典力学的科学意义及其影响 1、把天上的和地上的运动统一起来，证明万有引力定律和运 动三定律是宇宙间一切机械运动的普遍规律，从力学的角度证明了 自然界的统一性，实现了对自然界的一次伟大综合。 2、依据运动三定律的联合作用，可以从物体在某一给定时刻 的运动状态推知它们在此以前或以后的任何时刻的运动状态。这样 经典力学把原来只能孤立地研究的力学事件联系起来，使它们成为 因果链条，整个世界也像一架机器一样有秩序的按照力学规律运动 着。 3、经典力学把人们对机械运动的研究从运动力学提高到动力 学水平。运动力学只考虑物体运动的速度、加速度、时间距离等因 素及其关系，只能描述物体运动的过程和状态。动力学的任务在于 揭示物体运动的力学原因及其力学后果。从而使人们能够全面把握 机械运动的规律。 牛顿的哲学思想 牛顿在科学上的巨大成就连同他的朴素的唯物主义哲 学观点和一套初具规模的物理学方法论体系，给物理学 及整个自然科学的发展，给18世纪的工业革命、社会经 济变革及机械唯物论思潮的发展以巨大影响。 牛顿的哲学观点与他在力学上的奠基性成就是分不开 的，一切自然现象他都力图用力学观点加以解释，这就 形成了牛顿哲学上的自发的唯物主义，同时也导致了机 械论的盛行。 事实上，牛顿把一切化学、热、电等现象都看作“与 吸引或排斥力有关的事物”。 牛顿的科学方法 （1）实验理论应用的方法 科学史家I.B.Cohen正确地指出，牛顿“主要是将实际世界与其简化数学 表示反复加以比较”。牛顿是从事实验和归纳实际材料的巨匠，也是将其理论 应用于天体、流体、引力等实际问题的能手。 （2）分析综合方法。 分析是从整体到部分（如微分、原子观点），综合是从部分到整体（如 积分，也包括天与地的综合、三条运动定律的建立等）。 （3）归纳演绎方法。 牛顿从观察和实验出发。“用归纳法去从中作出普通的结论”，即得到概 念和规律，然后用演绎法推演出种种结论，再通过实验加以检验、解释和预 测，这些预言的大部分都在后来得到证实。 （4）物理数学方法。 牛顿将物理学范围中的概念和定律都“尽量用数学演出”。 牛顿经典力学体系的局限性 他把时间、空间看作是同运动着的物质相脱 离的东西，提出了所谓绝对时间和绝对空间的 概念；在探索太阳系运动起源问题上，由于牛 顿缺乏历史的、辨证的观点因而从太阳系运动 的初始条件中得出了必须要有上帝第一推力的 结论。导致这种结果是牛顿在哲学上的局限性 和不彻底性的表现。同时，利用牛顿力学原理 对力学现象的解释导致了指导物理学发展甚至 影响整个自然科学达数百年之久的机械自然观 。 第二节 牛顿时代和18世纪的物理学 一、对热的研究 在度量温度方面，形成了世界通用的华氏温标、摄氏温标和应 用不太广泛的勒氏温标。 1、华氏温标是以德国人华伦海特（1686-1736）命名的。他 在1714年制成了一个水银温度计，把水的沸点作为2120，冰、纯水 和食盐三者的混合温度为零度，将其间分成212个分度，这样纯水 的冰点就成了320。符号记为0F。 2、摄氏温标以瑞典人摄尔修斯（1701-1744）得名。1742年 ，他把水的冰点和沸点之间分成100分，沸点作为零度，冰点作为 100度，后来，在1750年，施勒墨尔又把这种划分颠倒过来，出现 了通用的摄氏温标，记为0C。 3、勒氏温标，应用不太广泛，以法国人勒奥墨尔得名，他用 酒精作液体温度计，以酒精的膨胀状况来画度，定水的冰点为零度 ，沸点为80度。 二、对电的研究 1、对静电最早进行定量研究 的是法国科学家库仑（1736- 1806），大约是在1785-1799年 ，他确定了点电荷之间和它们的 距离在相互作用中的关系。这种 关系类似于牛顿发现的万有引力 数学形式：f=q1q2/r2，后来人们发 现，库仑力在不同的介质中不同 ，经过后人的研究，又把介电常 数写进上式中，形式变为 f=q1q2/r2，就是介电常数。 二、对电的研究 2、对发电现象和雷电 进行研究的是美国的富兰克 林（1706-1790）。 他做了一个著名的风筝 实验，这个实验证明了天上 的电和地上的电是同一个东 西，从而破除了人们对雷电 的恐惧和神秘感。 富兰克林-风筝实验 这个实验是利用莱顿瓶。莱 顿瓶是马森布罗克（1692-1761 ）发明的，它只是一种早期的电 容器，它的制作方法是在玻璃瓶 的内外表面上都贴上锡箔，在瓶 塞上再装上一根铜线，这样就可 以把电机上产生的电荷引入玻璃 瓶中，电荷就会在玻璃瓶的锡箔 上积蓄起来。 二、对电的研究 3、18世纪意大利的 科学家伽伐尼（11737- 1798），发现了电的运 动电流。 1891年，伽伐尼发表 了论肌肉运动的电作 用的论文。 伽伐尼青蛙实验 当两种金属分别接 触蛙腿，并把这两种金 属用导线连接，蛙腿就 会产生痉挛，这实际上 已经接近发现了有电位 差时连上导线就会有电 流产生。 二、对电的研究 4、意大利电学家伏打 （1745-1827），重做了 伽伐尼的某些实验，并进 行了改进制成了能提供持 续电流的电源。 这实际上时现代化学 电池的原型，后来，被人 们称为“伏打电堆“。 伏打电堆 他把许多对（对 、对）圆形的铜片和 锌片相间地叠起来，每一 对铜锌片之间放上一块用 盐水侵湿的麻布片。这时 只要用两条金属线各与顶 面上的锌片和底面上的铜 片焊接来，则两金属端点 就会产生几伏的电压。 三、牛顿与惠更斯的争论和光学的进展 惠更斯（1629-1695 ）是荷兰著名天文学家 、物理学家和数学家。 他是通过天文学接触光 学的。 惠更斯及其波动说的建立 惠更斯提出了他的一种比较系统的光波学说。 光时一种机械波。这种机械波是由光源的振动而 发出的。 光波是一种靠物质载体来传播的纵向波，传播它 的载体是“以太”。 波面上的各点，本身就是引起媒质振动的波源。 他把波源振动发出的波称为子波，而把发出子波的波称 为原波，原波又发出子波。如此持续传播下去。 这就是惠更斯用以解释光的传播规律的著名的惠更 斯原理。惠更斯的光的波动说较好地解释了光的折射、 衍射和干涉。 惠更斯-菲涅耳原理 菲涅耳：（1788-1827）：法国 物理学家 曾任土木工程师，1814年开始研 究光学实验和理论，1823年被选为巴 黎科学院院士，1825年被选为英国皇 家学会会员。 菲涅耳对光的本性进行了研究， 独立提出光的波动说，完成了光是横 波的理论。他发展了惠更斯理论，对 光的偏振和双折射现象、旋光理论都 有深刻的研究 惠更斯-菲涅耳原理 波传到的任何一点都是子波的波源，各子 波在空间某点的相干叠加（干涉），就决定了 该点波的强度。 1.波传到P点处时的能量分布决定于各子波 的合振动。 2.愈大，r方向子波振幅愈小。 菲涅耳认为： /2时，振幅为零，因 而强度也为零，说明子波不能向后传播。 即：从同一波前上各点所发出的子波，在 传播过程中相遇于空间某点时，也可互相叠加 而产生干涉现象。 惠更斯-菲涅耳原理成为我们解释光的各类 衍射现象的理论依据。 牛顿的微粒说的建立 牛顿主要以光的反射和折射现象为基础，坚持了他对 光的本性所作的微粒说的解释。 牛顿在对光的色散现象的研究中提出了光的微粒说。 牛顿在光学研究中，从光的色散现象中得出结论；单色 的光束是不能再改变的它们可以说是光的“原子”，就象 物质的原子一样支持光的微粒说的人们认为：单色光 是由单一粒子构成的，白光则是各种光粒子的混合物， 棱镜只是将它们分类，使各种光粒子有不同的偏转角度 。因而牛顿及其追随者把色散现象看作是微粒说的一个 证明。 牛顿的微粒说 牛顿在1704年出版的光学一书中， 根据光的直线传播性质，提出了光是微粒 流的理论。他认为光的直线传播是由于这 些微粒从光源飞出来，在真空或均匀物质 内由于惯性而作匀速直线运动。他说“光线 是否是发光物质发射出来的很小物体？因 为这样一些物体能直接穿过均匀媒质而不 会弯到影子区域里去，这正是光的本性。” 第三节 牛顿时代和18世纪的化学 一、科学的燃烧理论的建立 1、1669年，德国化学家贝歇尔（1635-1682）提出了燃素 说。他认为燃烧是一种分解作用，是复杂物质分解成硫、汞、 盐这些简单东西。 2、1703年，德国化学家、御医施塔尔（1660-1734）提出 比较系统的燃烧理论。他认为，火是一些细小的微粒构成的， 这些细小微粒就是燃素。一般情况下，燃素与其他物质结合在 一起，燃烧时，燃素就从物质中跑出来，形成火焰。他说燃素 普遍地存在于各物质的形态中，物质失去燃素就会变成灰烬， 灰烬获得燃素还回复合起来。 一、科学的燃烧理论的建立 3、1774年英国化学家 普利斯特利（1733-1804 ）曾利用一英尺的大聚光 镜加热氧化贡，制得了氧 气。他还把这种气体用排 水取气法收集起来，进行 了系统的研究。他发现这 种气体能使熄灭并带有余 火的蜡烛重新明亮地燃烧 起来。 一、科学的燃烧理论的建立 普利斯特利给氧起 了个名字叫“脱氧燃素 的空气”。他已发现了 氧气助燃的现象，但却 没能由此得出氧化燃烧 说的结论。 一、科学的燃烧理论的建立 4、另一位发现氧的是 舍勒（1742-1794）瑞典化 学家，1772年他利用 KMnO4（黑苦土）制得了 氧气，他把制得的氧气叫“ 助火空气”。 一、科学的燃烧理论的建立 5、氧气发现之后法国化学家拉瓦 锡（1743-1794）建立了科学的氧化 燃烧理论。 拉瓦锡是给化学带来革命性变革 的化学家。他的主要著作有对于燃 素之回顾、化学基本教程，他 的主要贡献是证明了空气是混合物， 对化学进行了严格的定量研究，建立 了科学的氧化燃烧理论，推翻了统治 化学界一个多世纪的燃素说。 一、科学的燃烧理论的建立 他的燃烧概论的论文， 正确地说明了氧化燃烧过程： 空气由两种成分组成，物 质在空气中燃烧因与氧结合而加 重，所增之重等于吸收氧之重。 物质只有在氧存在的情况 下才能燃烧。 物质燃烧时有光和热产生 。 一般非金属燃烧时通常变 为酸，而金属燃烧时生成金属氧 化物。 二、化学元素与化学物质的发现 1669年发现了磷； 1741年发现了铂； 1735年发现了钴； 1753年发现了铋； 1774年发现了氯； 1798年发现了铍； 1771年发现了氟； 1766年发现了氢等。 1755年英国化学家布拉克（1728-1799）发现了二 氧化碳。 第四节 牛顿时代和18世纪的生物学 胡克所用的显微镜及观察的栎树细胞壁 一、细胞的发现 1665年，英国的物理 学家胡克用自己设计并制 造的显微镜观察栎树软木 塞切片时发现其中有许多 小室， 状如蜂窝， 称为 “cella”，这是人类第一次 发现细胞，不过，胡克发 现的只是死的细胞壁 。 一、细胞的发现 胡克切下的极薄的切 片是白色的，他便把它 的下面衬上一片黑色的 木板，再用一个凸镜投 光其上，于是他清楚地 看到了薄片全部是多孔 多洞的，像一个个蜂窝 。 二、微生物学的开山祖列文虎克 17世纪末，荷兰透镜制造商 列文虎克用自制的显微镜发现 了微生物 。 1677年他首次描述了昆虫、 狗和人的精子。 1684年他准确地描述了红细 胞，证明马尔皮基推测的毛细血 管是真实存在的。 这是人类第一次观察到完整 的活细胞。 微生物学的开山祖列文虎克 1669年列文虎克绘制的显微镜下的微生物的形态 列文虎克发明的显微镜 列文虎克看显微镜 微生物学的开山祖列文虎克 微生物学的开山祖列文虎克 列文虎克从自己的牙齿刮下 一些污物，并通过显微镜观看 这些东西。他认为这里有“小微 生物”在动。事实上，人肉眼是 看不见这种“小微生物”的。 约两个世纪后，对这种“不 可见”微生物的了解，使巴斯德 提出了疾病的微生物理论，这 一理论又使医生攻克了多种疾 病：伤寒、小儿麻痹症及白喉 等。 三、预成说与渐成说 预成说认为:各种器官在其种子甚至生 殖细胞中已经完全形成了,胚胎的发育不过 是预成的微型有机体机械地扩大,没有任何 分化和形成过程。 渐成说认为:各种器官不是以卵子或精 子中就已形成的形式存在,而是由尚未分化 的基体渐渐形成的。在十七八世纪里占统 治地位的是预成说。 四、对植物进行分类 林耐（1707-1778）创立了科 学的植物分类体系。 所有的生物，无论是动物、植 物、微生物等等，均按照界、门、 纲、目、科、属、种的层次，进行 分类 比如人，在生物分类学上，称 作动物界、脊索动物门、哺乳动物 纲、原长目、人科、人属、人种。 第五节 牛顿时代和18世纪的地学 一、航海记时器出现 1762-1763年，英国发明家哈里逊发明 了准确的航海记时器。这样每只海船上都 准确地测得格林威治时间，准确时间和天 象对比研究，可计算出准确的经纬度，从 而可以判断船只的准确位置。 二、水成论和火成论的争论 1、水成派：代表是维 尔纳（1749-1817）。 维尔纳强调，所有的岩 层都是由于洪水的作用， 最后沉积形成的，因此， 水成的作用是地质起源与 演化中的主要地质作用。 二、水成论和火成论的争论 2、火成派：提出者是意大利地质学家 莫罗（1687-1764），集大成者是赫顿（ 1726-1779）英国地质学家。 他认为：地下热和火山对地壳的变迁有 决定意义，原始的地球是被原始的海洋包围 者的岩石外壳组成，岩石外壳内的熔融的岩 浆，当受压迫到一定程度时，它就冲出，形 成火山，这就会逐步形成人们观察到的地表 状况。地层不过是旧世界的废墟，这一层层 的废墟都主要是火山的爆发，岩浆的运动造 成的。 第六节 18世纪天文学的新进展 一、天文学上的新成就 1、意大利的天文学 家卡西尼（1652-1712） 通过观测发现了土星的 四颗卫星和土星光环的 缝隙。 一、天文学上的新成就 2、著名的哈雷（1656- 1742）发现了哈雷彗星。 二、康德的星云假说和潮夕现象理论 1、太阳系起源的星云假说 康德（1724年4月22日1804年2月12日）德 国哲学家、天文学家、星云说的创立者之一、德国 古典哲学的创始人 。 1755年，康德发表自然通史和天体论一 书，首先提出太阳系起源星云说。康德在书中指出 ：太阳系是由一团星云演变来的。这团星云由大小 不等的固体微粒组成，“天体在吸引力最强的地方开 始形成”，引力使微粒相互接近，大微粒吸引小微粒 形成较大的团块，团块越来越大，引力最强的中心 部分吸引的微粒最多，首先形成太阳。外面微粒的 运动在太阳吸引下向中心体下落是于其他微粒碰撞 而改变方向，成为绕太阳的圆周运动，这些绕太阳 运转的微粒逐渐形成几个引力中心，最后凝聚成绕 太阳运转的行星。卫星的形成过程与行星相似。 二、康德的星云假说和潮夕现象理论 2、康德的另一个自然科学假说是 关于地球自转速度因 潮汐摩擦而延缓的 理论。 在月球的引力作用下，地球自转时 必然在月球引力切线方向潮落，垂直方 向涨潮。涨潮、落潮必然造成潮水与地 球表面产生摩擦，地球要艰难地带着潮 头自转，潮汐摩擦消耗的能力得不到补 偿，这样就会减缓和降低地球自转速度 ，会使月球远离地球而去。 由于潮汐作用，经过漫长的岁月， 地球公转的速度将与太阳自转速度相等 ，太阳也会最好死去。 第七节 牛顿时代和18世纪的自然 哲学 一、形而上学机械唯物主义自然观 一种单纯用古典力学解释一切自然现 象的观点。它把物质的物理、化学和生物 的性质都归结为力学的性质，把物理的、 化学的和生物的系统和运动形式都归结为 力学的系统和运动形式，认为自然界中的 一切事物都完全服从于机械因果律。 拉普拉斯妖 拉普拉斯假定，如果有一个智能生物能确定 从最大天体到最轻原子的运动的现时状态，就 能按照力学规律推算出整个宇宙的过去状态和 未来状态。后人把他所假定的智能生物称为拉 普拉斯妖。 按照这种假定，宇宙中全部未来的事件都严 格地取决于全部过去的事件，事件出现的不确 定性或偶然性消失了，不但偶然性并未从必然 性中得到说明，反而使必然性成了纯粹偶然的 产物。 二、形而上学机械唯物主义自然观形成的历史条件 从哥白尼到牛顿到波义耳，他们在自 然科学领域里都是唯物主义者，但是这种 唯物主义自然观又带有浓厚的形而上学和 机械论的特点，主要由两个历史条件决定 的，是由当时生产发展水平和自然科学发 展水平决定。 二、形而上学机械唯物主义自然观形成的历史条件 1、 与自然科学认识水平有关 16-18世纪发展起来的近代自然科学中，只 有经典力学建立了完整的科学体系。惠更斯认 为在真正的哲学里，所有自然现象的原因都应 用力学术语来陈述。牛顿也认为各种自然现象 都与某些力有关。1