自然科学概论第一篇第一章课件

自然科学概论 第一编 近代科学技术 -第一章 近代自然科学的初步发展 1.古代科学技术 2.近代自然科学的初步发展 3.近代科学方法 第一节 古代科学技术 一、古代科学技术的萌芽 原始社会时期 最初的技术是在一百万至二百万年以前产生的 用“以石击石”的方法制造石器的技术 人类学会的第二个技术是用火和人工取火，这 是人类第一个伟大发明，使人类由石器时代进 入青铜时代 人类学会的第三种技术是植物栽培技术和动物 驯养技术，导致了农业和畜牧业的出现 人类学会的第四方面的技术是制陶技术、纺织 技术、建筑技术和运输技术 人类学会的第五种技术是文字的发明 刻于软泥板（公元前3200年）的文字， 左边是数字4，右边象形符号代表物品； 软泥板经过晒或烤后变得坚硬，不易变 形 古巴比伦楔形文字 古巴比伦、古埃及、古希腊、古印度和古中国 文明对这一时期的科学技术作出了重要贡献 二、古代中国的科学技术 1.古代中国的科技萌芽 中国对自然科学的萌芽时期（中国秦朝之前）的 科学技术作出了重要贡献 中国在上古时代就进行天象观察，积累了许多资料， 领先于当时的世界，如最早记录哈雷彗星（从公元前 1057年就开始有记录） 早在中国的殷商时代（约公元前14001100年），中 国就有了先进的铸造技术，近现代出土的司母戊鼎（ 商后期铸品，也称后母戊大方鼎）、越王勾践剑（公 元前400年的春秋时期所铸）等都是绝世珍品 中国是陶瓷最早的产地，东汉时期发展出较为成熟的青瓷 制法；瓷器的发明是中华民族对世界文明的伟大贡献 世界上已知最早的瓷器：发掘自河南郑州商代的高岭土彩釉器皿 中国是最早养蚕和缫丝织绸的国家，丝绸的历史可以上溯 到约5000年前甚至更早，商代的丝绸生产已经初具规模， 具有较高的工艺水平；直到公元前一世纪丝绸之路的开拓 ，丝织技术才逐渐传播到世界。 公元前168年的马王堆西汉墓出土 的素纱禅衣 春秋战国是难得的百家争鸣时期，百家中重要的有法家 、名家和墨家，和对后世影响很大的道家和儒家 战国时期以“兼爱非攻”为主要思想的墨家，其创始人墨 子（墨翟，生卒年代约为公元前468376年），在认识 论、逻辑学、宇宙论、几何学、几何光学、静力学等学 科方面都有贡献 在几何学方面，墨子对圆、矩形等的定义与欧几里得相同 在力学方面，墨子给出了力的定义：“力，刑（形）之所以奋也 ” ；并提出物体运动的停止来自于阻力阻抗的作用，没有阻力 ，物体会永远运动下去的观点。 墨子比阿基米德早200年发现杠杆定理 墨子是第一个进行光学实验，并对几何光学进行系统研究的科 学家 黄帝内经：现存最早的中医理论著作，约成书于 战国时期。在理论上建立了中医学上的阴阳五行学说 、脉象学说、藏象学说、经络学说、病因学说、病机 学说、病症、诊法、论治及养生学、运气学等学说； 黄帝内经更是一部关于生命的百科全书，与易 经、道德经并称为中国古代三大奇书 中国明清时期科技衰落的原因 经济：到了封建社会后期，封建小农经济，限制了对 生产力发展的需要，使科技的发展缺乏足够的动力 政治：君主专制的加强 思想：明清时期的教育专制尤其是八股取士，使中国 古代科技发展缺乏必要的人才 对外：封建统治者推行的 “闭关锁国”政策，限制了对 外交流，阻碍了中国古代科技的发展 文化传统：中国古代“重道轻器”，轻视科技发展 一、14-15世纪欧洲国家几个关键事件 14世纪发端于意大利的文艺复兴 14-15世纪的宗教改革运动 意大利、地中海沿岸手工业的兴起 远洋航海与地理大发现 东方文明对西方文明的影响 第二节 近代自然科学的初步发展 文艺复兴之城佛罗伦撒 文艺复兴，是14世纪至16 世纪在欧洲兴起的一个思想文 化运动，揭开了现代欧洲历史 的序幕。 文艺复兴以复兴古典文化 为口号，发掘、光大古希腊文 化，树立起理性主义和人文主 义大旗，反对神权和封建特权 ，提倡个性自由。 1.文艺复兴 文艺复兴不仅创造了近代 的古典文学和艺术，而且 为近代自然科学的诞生也 创造了非常有利的文化氛 围。 列奥纳多达芬奇的人体 比例，表现了文艺复兴时期 把艺术与科学结合的特色 宗教改革运动从14、15世纪开 始，在西欧与中欧国家兴起， 它打破了教会的精神独裁，为 自然科学从神学中解放出来创 造了必要的社会前提。 最后的审判 米开朗基罗 大卫米开朗基罗 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 工人正在进行印刷工作 15世纪下半叶，新工厂主、商 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，应运而生的远航探险和地 理大发现对欧洲的社会和科学 技术产生了极大的促进作用。 哥伦布塑像 哥伦布归航后觐见国王 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。 印刷术：唐代时传到 日本，公元12世纪传 到埃及，14世纪传入 欧洲，为欧洲科学的 兴起及文艺复兴运动 提供了重要的物质条 件 。 二、天文学革命 天文学作为一门古老的学 科，研究广阔空间中天体的 位置、分布、运动、形态结 构、物理状态、化学组成和 演化规律。 古希腊天文学对后世有 很大影响，柏拉图提出地球 的中心思想，后由托勒密发 展为地心说。 托勒密的地心说体系 尼古拉哥白尼，波兰伟 大的天文学家、太阳中 心说的创始人、近代天 文学的奠基人 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体系 “日心说”。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 ，又与其他行星一起围绕宇宙中心 太阳旋转。这就使得以前看来极不协调 的种种天象变得简单而和谐。 哥白尼的著述 三、医学生理学革命 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。比利时医生维萨留斯发表 人体结构，并证明男女肋骨数目相同。他的结论 动摇了天主教的教条，并因此受到迫害。 维萨留斯 维萨留斯.人体静脉系统 17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动物的生理学开辟了新的途径。哈 维从实验入手，做了绑扎人体上臂血管和计算血流量的 实验。他发现，动脉和静脉中血液流动的方向相反。哈 维还对血流量进行了计算，从而发现，血液在全身沿着 一个闭合路径作循环运动。血液循环理论的建立，具有 重要的科学价值。 捆扎上臂血管实验 哈维 血液循环 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。 1.开普勒对天空“立法” 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。开普勒与第谷 合作，使他获得了大量精确的天文学数据。1609 1619年，他先后提出了行星运动三定律。 第谷在天文台工作 第谷用过的望远镜 四、经典力学的奠基 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 开普勒开普勒 等面积定律：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。开 普 勒 第 二 定 律 和谐定律：行星运动周期T 的平方正比于 行星与太阳平均距离R 的三次方，记为： 2.伽利略对地面物体的研究 主要贡献： 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法 确定了一些重要的力学定律。 伽利略伽利 天文学：他是利用望远镜观测天体取得大量 成果的第一位科学家。 哲学：他一生坚持与唯心论和教会的经院哲 学作斗争,主张用具体的实验来认识自然规律 ,认为经验是理论的源泉。 伽利略发现 的四颗卫星 伽利略著名的“斜面实验” 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。1638年出版的他的关于两 门自然科学的对话和数学证明一书，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“ 斜面实验”。 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。 斜面试验 比萨斜塔 综合斜面实验的过程，可以设计和制造一个光 滑的斜面和平面(如图中由A经B至C)，再用一个光滑 的球由A经斜面落下。经过多次的反复实验，伽利略 得到以下的结论： A B C D 1.在斜面AB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由落 体定律。 2.在小球落到B点并沿BC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BC足够长，小球将永远保持原速。 这个说法也就是惯性定律。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 是产生速度的原因。 3.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，于是物体呈现出抛体 运动状态，图中即小球将沿半抛物线CD落至D 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。 五、近代科学的第一次大综合 1. 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 科学史上的第一次大综合。 牛顿在著名的自然哲学的数学原理 一书中，给出了一种力的定义：“施加的力 是能够使物体改变它的静止状态或匀速直线 运动的状态的一种作用”。这儿乎就是力的 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 ，即获得加速度。 在定义了力的概念以后，牛顿在伽利略 关于物体运动研究的基础上，总结出来有关 地面物体运动的三大定律。 自然哲学的数学原理 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。 牛顿第二定律又称运动基本定律：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，加速的的方向与外力方向相 同。 牛顿第三定律又称作用和反作用定律：作用力与反 作用力大小相等，方向相反，分别作用于不同的物 体上。 2.万有引力定律 牛顿在建立了力学的基本概念并发现了力学 的基本定律之后，就试图用来解决一系列的问题 。他在着手解决太阳系的动力学问题中，进一步 发现了万有引力定律。 万有引力定律又称物质相互作用的普遍规律 ：任何两个物体都存在着相互作用的吸引力，吸 引力的方向沿两个物体连线的方向，力的大小与 两个速体质量乘积成正比，与两个物体之间的距 离的平方成反比。 六、其它学科的初步发展 1.数学： 1618世纪是常量数学到变量数学的时期。法国 人笛卡儿（1596-1650年）分析了几何学与代数学的 优缺点，表示要寻求一种包含这两门科学的优点而没 有它们缺点的方法，这种方法就是用代数方法来研究 几何问题解析几何，并与17世纪上半叶创立了解 析几何。 笛卡儿分型 笛卡儿 耐普尔的计算器 17世纪上半叶英国人耐普 尔发明了对数，对数的发明， 有助于改进和简化计算，拉普 拉斯这样来评价这一发明：它 用缩短计算的时间来使天文学 家的寿命加倍。 牛顿和莱布尼茨在17世纪 下半叶各自独立的创立了微积 分学。他们的功绩主要在于： 把各种有关问题的解法统一成 微分法和积分法。 莱布尼茨 2.化学： 近代化学的前身是古代的炼丹术和炼金术。玻意尔在 1661年出版怀疑派的化学家，书中首次将化学确立为一 门独立的科学，并提出化学元素定义。英国化学家普利斯特 列发现了氧气。 拉瓦锡，法国化 学家，他进行的 化学革命被公推 为18世纪科学发 展史上最辉煌的 成就之一。 1774年10月，普里斯特列向拉瓦锡 介绍了自己的实验:氧化汞加热时,可得 到“脱燃素气”，这种气体使蜡烛燃烧 得更明亮，还能帮助呼吸。拉瓦锡重复 了普里斯特利的实验，得到了相同的结 果。拉瓦锡并不相信燃素说，所以他认 为这种气体是一种元素,1777年正式把 这种气体命名为oxygen。 燃素学说 拉瓦锡用实验证明了化学反应中的质量守恒定律。拉 瓦锡的氧化学说彻底地推翻了燃素说，使化学开始蓬勃地 发展起来。 拉瓦锡的实验室 3.光学： 17世纪以来由于天文学研究的需要，光学得到了 较快的发展。在近代科学史上，第一个对光现象进行 系统研究的是开普勒，他首先提出了光度学定理。还 研究了光的折射现象和透镜成像问题。17世纪初，荷 兰数学家斯涅尔(15801628)发现了光的反射和折射 定律。 开普勒 斯涅耳 反射定律 ： 反射角入射角 折射定律： 光从疏介质入射密介质，折 射角小于入射角。 色散： 波速随波长而改变的性质称 为色散。 费马，法国数学家物理 学家，解析几何学创始 人之一。得到确定光在 介质中传播所走的路径 和光程极值原理。 在岸边看到落水的人，如何用 最短的时去救他？ 这就是费马原理：“光所选择的 路径是最节省时间的路径” 牛顿进行了日光分光实验，发现白光是由红、橙、 黄、绿、蓝、靛和紫七色光组成，这种分解出来的单色 光再通过第二个棱镜时没有增加任何新的成分，而将第 一次分解的光也可以再用另一个棱镜合成白光。 牛顿认为光是一种微粒流，微粒从光源飞出，在均 勾物质内以力学定律作匀速运动，他以此解释了光的反 射和折射，但在解释他自己发现的牛顿环时却遇到重重 困难。 分光试验 牛顿环 惠更斯创立了光的波动说， 他认为光是一种波，他的传播与 声音相似。光的波动说对于光的 反射、折射、衍射现象解释得较 为合理，但对光的直进和双折射 现象等则难以理解。 光的波动 4.4.生物学：生物学： 生物学在这一时期得主要成就有林耐的分类学 和以及细胞的发现、渐成说的提出。胡克用自制的 显微镜观察软木的时候，首先发现了细胞。 林耐 在1735年出版的名著自然系统中，系统的阐述 了他的植物分类原则，和见 解。他把植物分为纲 、目、属、种，并以双命名法来命名植物。 胡克的显微镜 软木细胞 跳蚤 5.电磁学：电磁学： 美国科学家富兰克林正式把电 分为“正电”和“负电”，并提出 电荷守恒的观点；1752年他通过著 名的风筝试验，认识到天空的闪电 和实验室的莱顿瓶放电的性质相同 ；他还发明了避雷针。 1785年法国物理学家库仑以对 静电的定量试验研究为基础，提出 了静电力的平方反比定律既库仑定 律。1775年至1800年间意大利试验 电学家伏打发明了世界上第一个产 生恒定电流的装置伏打电池。 库仑 富兰克林 近代自然科学之所以能战胜宗教神学，取得独立发 展的地位，并不单是依靠知识的力量和科学家的献身精 神，很重要的是立足于它特有的实践基础科学实验 基础之上的。 实验科学的先驱 培根的实验归纳法 笛卡尔的数学演绎法 伽利略的数学与实验相结合的方法 牛顿论科学方法 第三节 近代科学方法 一、实验科学的先驱 1.达芬奇 达芬奇不仅是艺术家，也是科学家，并自称是 “实验的信徒”。他说:“在研究一个科学问题时， 我首先安排几种实验，因为我的目的是根据经验来决 定问题，然后指出为什么物体在什么原因下会有这样 的效应。这是一切从事研究自然现象所必须遵循的方 法。” 2.斯台文 西蒙斯台文（15481620）是荷 兰在文艺复兴时期一位个性突出的力学 家、数学家和工程学家。他在1586年出 版了静力学和流体静力学两本 书，推进了阿基米德的工作。 由于斯台文在力学方面的巨大成就，人们称他是从 阿基米德到伽利略之间最伟大的力学家。 3.吉尔伯特 吉尔伯特是英王的御医、皇家医学院的院长 ，又是物理学家，爱好科学实验。他在1600年出版 的磁石一书，被认为是近代实验方法的开端, 是用实验方法探索自然界和从理论上解释自然界这 两者结合的范例，是工匠经验和学术的范例。 二、 培根创立实验归纳法 放弃所有先入为主的概念而重新开始。 暂时不要企图上升到一般的结论或接近他们 弗兰西斯培根是近代哲学史上首先提 出经验论原则的哲学家。他重视感觉经验和 归纳逻辑在认识过程中的作用，开创了以经 验