科学技术发展史课件

科学技术发展史 佟丽媛 T 第一章 科学技术是第一生产力 一.科学的理解 1.科学的目的在于认识客观世界,所以科学必然具有 真理性,因为它发现并揭示了客观规律。 2.科学活动是社会化、规模化、全球化、竞争和合 作并存。 3.科学一定是系统性的，科学是系统化的知识。 4.科学显现出交叉性，各学科知识与方法具有相关性。 6.不同门类的科学都是统一的,因为自然界本身就是 统一整体。 5.科学是不断发展的,因为它有无止境的前沿. 7.科学它同时具有可用性,因为知识就是力量。 二.技术的理解 1.技术具有功利性,它必然满足特定的功利需要. 2.技术具有科学性,符合科学的原理,它不 断要创新,要有创造性,是科学知识创造性 的应用. 3.技术具有系统性,或大或小是一个系统, 或者是若干子系统的集成. 4.技术具有社会性和经济性,符合社会的 需求、法规、道德和文明,同时它具有经 济性,经济上可行才有竞争力,否则这个 技术是没用的. 5.技术要具有生态性,就是要符合生态环境的要求 6.技术要具有艺术性,符合文化和美学的要求. 三.科学和技术的区别与联系 1.基本任务不同.科学的任务是要有所发现,从而 增加人类的知识、文化财富；技术的任务是要 有所发明、实现发明,从而增加人类的物质财富 并使人类生活得更好. 2.要解决的问题不同.科学致力于回答对象 “是什么”、“为什么”的问题,技术注重于处置 “做什么”、“怎样做”的问题. 3.研究过程和方法不同.科学主要关系到从个别到一般,从 特殊到普遍,从经验到理论,主要采用抽象、概括、分析等 方法来再现客体.技术主要采用综合的方法来构建客体. 4.相关知识和领域不同.科学相对技术来说是比较 单纯的,是最基础的理论.但技术课题涉及的范围 比较广泛它要综合运用多门学科的知识. 5.目标与结果不同.科学活动主要是从多样性到 一元性,从模糊性到精确性.科学活动要从纷繁的现象 去解释本质,从诸多的假说去确认真理. 6.衡量标准不同.衡量科学的根本标准是真理性标准,即:看 看科学认识是否真正反映了客观世界的客观规律.而对技 术要评价优劣要看它是否对社会有益、是否带来经济效益. 7.研究过程和劳动特点不同.科学研究的目标相对 具有不确定性.而技术工作往往具有较强计划性. 四.如何理解科学技术是第一生产力 1.对科学技术认识的三次飞跃 弗兰西斯.培根(15611626)提出“知识就是 力量”的著名论断,是人们对科学技术认识的 一次飞跃. 马克斯提出“科学技术是生产力”的科学 论断,是人们对科学技术认识的又一次飞跃. 邓小平提出“科学技术是第一生产力”的科学 论断,是人们对科学技术认识的又一次新的飞跃. 2.深刻理解“科学技术是第一生产力”的含义 在现代生产力系统中,科学技术起着第一位 的变革作用. 现代科学日益成为生产的先导 科技进步是推动国民经济增长的决定性因素 五.现代科学技术的发展趋势 1.科学技术的加速发展 2.科学技术发展的综合化 3.自然科学与社会科学的结合 六.“863计划”和“973计划”的提出及实施 1.“863计划”的提出 背景:本世纪80年代以来,高技术成为国与国之间,特别是大 国之间的主要竞争手段.美国的“战略防御计划”即“星球大 战计划”、欧洲的尤里卡计划、日本的科技振兴政策,均将 发展高技术列为国家战略的重要组成部分. 提出:1986年3月3日,面对许多国家纷纷制订发展高科技 战略的形势,王大珩、王淦昌、杨嘉墀、陈芳允等四位 老科学家给中共中央写信,提出跟踪世界先进水平,发展 我国高技术建议.3月5日,邓小平亲自批示:此事宜速决断, 不可拖延.在邓小平的关心下,党中央国务院组织200多位 专家编制了我国高技术研究发展计划纲要 (即“863计划”),打响了我国科技领域的一场攻坚战. “863计划”于1986年3月由国务院正式批准实施. 目标:“863计划”选择了生物技术、航天技术、信息技术、 激光技术、自动化技术、能源技术和新材料等7个领域的 17个主题作为我国高技术研究与开发的重点.希望通过15 年的努力,达到下列目标:(书上18页) 成果:截至1995年底,已鉴定成果1398项,其中获国家或部委 奖659项,550项达到国际水平,获国家级奖73项,专利266项. 农业:新种稻最高亩产纪录达730公斤,导入抗病基因的 抗赤霉病小麦,亩产高达450公斤.我国棉花生产因棉铃虫危 害损失严重,用基因工程技术培育成功的“抗虫棉”,领先世 界水平. 自动化控制:CIMS工程是以计算机集成为主要特征的全新 的自动化控制技术,是信息时代工业革命的核心.我国无论 在该工程的研究领域还是应用领域,目前均处于国际领先. 航天技术:天地往返运输系统、大型运载火箭、空间站、 空间技术及应用已获得87项研究成果,使我国具备了探索 太空的能力. 医药行业:这斯间,已进入市场的新型药物和疫苗就有7种, 产生了巨大的经济效益和社会效益.17种生物制剂即将完 成临床试验,还有50种在实验室研制.我国还用基因工程技 术研制出了治疗乙肝的特效药-重组人基因工程干扰素 信息技术:曙光系列计算机的研制成功,标志着我国在计算 机技术的研制上有了重大进展.1992年研制成功了04交换 机,到1995年,36%的市场已被国产交换机占领. 海洋采矿:联合国已将夏威夷附近的30万平方公里的公海, 划为我国海洋勘探区.并已研制出6000米水下机器人. 2.973项目简介 1997年,国家科技领导小组第三次会议决定,制定和 实施国家重点基础研究发展规划(973计划).规划 贯彻“统观全局,突出重点,有所为,有所不为”的原则,在现有 基础研究工作部署的基础上,鼓励优秀科学家围绕国家战略 目标,在对经济、社会发展有重大影响,以在世界占有一席 之地的重点领域,瞄准科学前沿和重大科学问题,开展重点 基础研究,遵循基础研究的特点和规律,与国家自然科学基 金,其他科技计划和相关的基础研究工作互相联系,互为补 充,体现国家目标,为解决下世纪我国经济和社会发展中重 大问题提供有力的科学支撑,实施重大项目,对基地建设、 人才培养、体制改革进行总体部署和优化,加强国际合作与 交流. 基础研究的主要内容 以认识自然现象、揭示客观规律为主要目的的 探索性基础研究,以解决国民经济和社会发展以及 科学自身发展提出的重大科学问题为目的的定向性 基础研究.对基本科学数据、资料和相关信息系统 进行考察、采集、鉴定,并进行分析、综合探求基 本规律的基础性工作. 七.科学-技术 - 社会(STS) 介绍:STS-Science Technology (3).以二倍的塔高去除塔底的周长,恰好等于圆周率 3.14159; (4).把生锈的首饰置于塔内,过了一段时间后,首饰 锈斑全无; (5).把肉、蛋、奶等食品长时间储存于塔内,不会腐 烂变质,其保鲜功能胜过现代冰箱; (6).经过脱水处理的鲜花置于塔内,经过一段时间后, 花朵既不枯萎也不褪色,鲜艳如初; (7).用塔内放过的水冲洗伤口,伤口愈合得很快,胜过 当今最好的药物愈合; (8).用塔内的水洗脸,皮肤变得细嫩; (9).用塔内的水浇树苗,树生长得非常茂盛; (10).一些科学家曾在塔内长时间居住,都产生了一种 奇异的感觉,觉得体内增加了某种新的力量. 4.医学:古埃及的医学较为发达,他们留下的较完整 的医学草纸书有六、七部。其中埃伯斯草纸书 （成书于第18王朝，约公元前15841320）是一部 宽0.3米,厚20.23米的医学巨著。该书记载了许多病 症的医疗方法，包括内科、妇科、眼科、解剖、生 理、病理等多方面的知识，所载药方有877个。 木乃伊埃及人认为人的尸体是灵魂的安息处， 古埃及人有制作木乃伊的传统。其方法是掏去尸体 内部的五脏，再用盐、香料、树脂等多种药物进行 泡制以防腐败，风干后，用麻布包扎，使尸体得以 保存，用这种方法保存的尸体就叫木乃伊。 5.古埃及文字:在早期王国以前,埃及人就发明了图形 文字,经过长时期的演变形成了象形文字。象形文字 多刻于金字塔、碑、庙宇墙壁等一些神圣的地方。 纸草是古埃及盛产的一种植物，人们将其茎干 切成薄片、压平、晒干，用来书写。但纸草时间长 了会干燥并裂成碎片，所以能够保存至今的纸草文 书很少。 三.古印度的科技成果 1.数学:古印度人发明了人们熟知的数码和零号。 后来演变成阿拉伯数字。 (1)公元前5世纪,印度数学家创造了“零”的概念及其 数字符号“0”.零号成为位值制计数法的精髓.同时创 造了十进制的数值体系. (2)在几何学方面,人们已经知到了勾股定理,算出了 圆周率等于3.1416. (3)创造了级数的求和方法,引入了负数和无理数运 算等等. 2.医学:医学在古印度是颇受重视的一门学科之一. 成书于1世纪左右的阿柔吠陀(长寿知识)是古 印度最早的一部医学著作,载有内科、外科、儿科、 等许多疾病的治疗方法.妙闻集则记载了 一些解剖学、生理、病理、内外科、妇科、儿科 等知识,各类病症达1120种,对一些外科手术有相当 高的水平,记载外科手术器材120种. 3.建筑:古印度人是最早使用烧制过的砖建造房屋 的人,烧砖的发明是建筑技术史上的一件大事. 古印度人识别了黄疸、麻风、天花、关节炎 等病，并懂得如何使用驱虫药、免疫疫苗. 四.古希腊的科技成果:按照历史的走向和科学发展 特征,可以把这一时代划分为四个时期:爱奥尼亚时 期、雅典时期、亚历山大时期和罗马时期. 爱奥尼亚时期、雅典时期科学发展主要在希腊本 土上展开，其主要形式或特点是自然哲学，即自然 科学与哲学融为一体，这时的自然科学家同时又是 哲学家。(公元前6公元前3世纪) 亚历山大时期这一时期科学发展的中心转向了亚 历山大城，自然科学开始从自然哲学中分化出来， 形成了独立的学科。(公元前3世纪公元2世纪中叶) 罗马时期这一时期自然科学的发展出现了停滞， 无多大进展。(公元前2世纪中叶公元5世纪) 1.爱奥尼亚时期:代表人物泰勒斯（BC624 BC546），发展了几何学.毕达哥拉斯（ BC580 BC500）首先证明了勾股定理.德谟克利特（ BC460 BC370）主张万物的本原是原子,它是组 成万物最小的、不可分割、不可改变的物质粒子. 2.雅典时期:代表人物亚里士多德(公元前384322), 是古希腊伟大的思想家、百科全书式的学者,是古 代科学思想的主要代表.主要著作有：物理学、 论产生和消灭、天论、气象学、 动物的历史、动物的结构等.通过这些 可以看出,亚里士多德在天文学、物理学、 力学、化学、气象学、心理学、逻辑学、历史等方 面都有所研究.在天文学上的主要观点 是,地 球是球形,(原由:他认为, 在航海中,远方的来船 总是先看到桅杆 后看到船身,甚至于可以看到水 面是弯曲的.). 3.亚历山大时期:(公元前3世纪公元2世纪,约500年) 代表人物欧几里德(公元前330275,数学家）,名著 有几何原本,给出了点、线、面等概念.代表人 物阿波罗尼(公元前247205,数学家),名著为圆锥 曲线论，研究抛物线、椭圆、双曲线等,而且他 第一个发现了双曲线有两支. 阿基米德(公元前287212物理学家、数学家)，他 是历史阶段上最早观察、实验同数学方法融为一 体的科学家.他用实验方法发现了浮力原理和杠杆 原理(著名的阿基米德定律).代表人物托勒密(约A D100),他把古代的地心说发展成系统的地心说,他 的地心说能够对行星运动作出十分精确的说明了. 而且他在研究天文学的时候,采用了抽象模型的方 法,在当时是 一大进步. 4.罗马时期: 罗马时期大约从公元前2世纪中叶到 公元5世纪.古希腊灿烂的文化到罗马时期开始衰落. 英国哲学家罗素(18721970)曾把罗马士兵杀害 阿基米德看作是罗马扼杀创造性思维的象征. 古罗马时期值得提及的科学成就儒略历法、普 林尼的博物志。 (1)儒略历法:公元前46年,当时罗马的独裁统治者儒 略凯撒(公元前100公元前44)根据太阳的周期制定 了 “儒略历”,结束了古罗马历法的混乱局面. 儒略历是阳历,它比较精确地符合地球上节气 的变化,对农业生产很有利,所以很受人们的欢迎. 但儒略历还不十分精确,到了公元1582年罗马教皇 格列高利十三世宣布改革历法,颁布了新的历法,称 为格列高利历,我们今日用的公历就是格列高利历. 我国从1912年开始采用格列高利历,但同时保留我 们自己的农历. (2)普林尼的博物志:普林尼(公元2379)生于 意大利北部的新科莫(即今科莫).他是一位博物学 家.普林尼广征博引编辑出版的37卷的大部头巨 著博物志即自然史，汇集了古希腊、罗 马时代的各种知识：从宇宙地球人；飞禽走 兽森林园艺；从科学研究巫神活动，兼收并 蓄，无所不包.这部巨著基本上是已有的经验知 识的记述,理论上没有什么新鲜独到之处. 罗马时期的自然科学停滞不前的原因 第一:罗马帝国依靠农业和军事维持其统治,没有繁 荣的商品市场刺激科学发展; 第二:罗马人从古希腊人那里吸取了许多现成而直 接可用的科学成果; 第三:基督教的产生,极大地阻碍了科学的发展. 五.古代中国的科学技术 1.科学:农学、数学、医学、天文学、地学、物理学 . 2.技术:冶金;采矿;瓷、漆器制造;造船;纺织;火药与 火器;造纸术;建筑技术;水利工程. 农学三千年前我国就已经有了关于某些农作物的 记载.如:麦、稻、粟、稷等.古人在总结农业生产经 验基础上,形成了376种农业专著,其中影响较大的有 10多种. 数学我国早在春秋时期就有了分数概念和九九表 . 我国古代十大数学名著海岛算经、五曹算 经、孙子算经、夏侯阳算经、张丘建 算经、五经算术缉古算经缀术周 髀算经、九章算术. (1)战国时期的周髀算经:该著作完成于公元前1 世纪.数学方面的成就主要有:勾股定理、分数运算 和开平方的方法. (2)东汉时期的九章算术:该书是我国古代最重 要的一部数学著作,它标志我国古代数学体系的形 成,对我国数学发展有着重要的影响. 九章算术是按246个题目分成9章编写而成,故 此而得名. (3)南宋秦九韶的数书九章:秦九韶是南宋四 川人.他的数书九章共18卷,按81个数学问题, 分为9大类,每类各9个问题编排.其中最重要的成 果就是高次方程的解法.包括二次、三次、以至十 次. 医学中华民族自古以来在长期的医疗实践中形 成了独具特色的中医、中药理论,它以内容丰富、 功效神奇享誉中外,时至今日仍是一块挖不尽的宝 藏. (1)战国时期的黄帝内经：这是一部驰名中外的中 医学经典著作，它以黄帝与岐伯、雷公等医师谈话 、问答的方式讨论医学问题全书共18卷,分问素(9 卷)、灵枢（9卷）.内容涉及生理、病理、药理、 针灸、按摩、人体解剖等各个方面.其中针灸是我 国独创.望、闻、问、切四项原则延用至今.黄帝内 经是中医理论形成的标志. 医学的主要成就 (2)东汉张仲景的伤寒杂病论:张仲景(公元 150219)今河南省南阳县人，被尊为医圣.他的医 术很全面, 伤寒杂病论具有很高的学术价值,是 从古至今最有影响的著作之一. (3)外科医生华佗:华佗(约145208)是安徽亳县人, 是汉末医学家,精通内、外、妇、儿、针灸等科,施 针用药,简而有效. 值得一提是,华佗积极倡导体育锻炼,认为这 是治病强身的手段,为此他编了“五禽戏”,即模仿 虎、鹿、熊、猿、鸟的动作而治病健身.其中“五 禽戏”是模仿虎的前肢扑动,鹿的伸转头颈,熊的伏 倒站起,猿的脚尖跳跃,鸟的展翅飞翔. (4)明代李时珍的本草纲目:李时珍(15181593) 生于今湖北蕲春县.本草纲目共载药理1892种, 附方11096个.还绘制药物形态图形1100多幅,以及另 外一些有价值的其它内容. 该书于1590年出版,出版后立即被译成英、法、德 、俄等多种文字,流传于世界,成为医药史上的世界 名著.达尔文把该书誉为“中国古代的百科全书”. 古 巴 比 伦 空 中 花 园 遗 址 想像中的空中花园想像中的亚历山大灯塔 胡夫金字塔 巴黎卢浮宫 狮身人面像 阿斯旺水坝 亚里士多德 远离 亚里士多德 泰勒斯 德谟克利特 阿基米德 欧几里德 相关资料 亚历山大灯塔亚历山大灯塔于公元前285年破土 动工兴建。公元前246年竣工。亚历山大灯塔位于 亚历山大城附近的法罗斯岛防波堤的南端，塔高 约135米（当今世界最高的日本横滨灯塔也只有 106米），共分四层。第一层是底座，方形，高约 69米,内有许多房间,可供人居住。第二层是八角 形的塔身，高38米。第三层是灯塔的“灯体” 一个圆形环廊，由八根圆柱撑着一个圆形灯盘， 盘中放入灯油，一到夜间便由工作人员点燃，照 亮远方，指引航船入港。最上一层是一座米高 的海神波塞冬塑像。塔内共有房间近300间，可 供上千人居住。 第三章:经典力学体系的形成 前言:自然科学从宗教神学的禁锢中解放出来,首先 发展并成熟起来、形成独立体系的是经典力学.其 原因主要有三方面. 第二,受天文学发展的影响.托勒密地心说和哥白尼 太阳中心说都说明行星绕一个中心转动,但是这些 行星为什么既不掉下来,也不飞走,还不相撞,是什么 力量的作用?这就引起了科学家们的思考. 第一,资本主义发展的需要.如:开矿、建筑、机械制 造、航海等需要静力学、动力学、 流体力学. 1.伽利略简介:伽利略（15641642)生于意大利的比 萨.巧合的是在他出世后三天文艺复兴时期著名的 艺术家米开朗基罗逝世.伽利略的父亲是当时一位 著名的音乐家和数学家,他的学术研究对伽利略产 生很大影响,但他却希望儿子学医而不是数学.1581 年伽利略被送到比萨大学学习医学.1583年,由于听 了几次关于欧几里得几何学的演讲,伽利略很快对 数学着迷.由于他执意不学医学,所以未取得学位就 于1585年离开了比萨大学. 第三,力学比较简单、直观,符合人们由简单到复杂 的认识规律. 一.伽利略的力学研究 伽利略倾心于研究欧几里得的几何学和阿基米 德的物理学,很快声名远扬,朋友们都称他为“新时代 的阿基米德”.1632年,伽利略的著作关于托勒密和 哥白尼两大世界体系的对话 出版问世,但很快遭 到罗马教会的查禁.1633年教会判处他终身监禁,此 后一直在受监视之下在佛罗伦萨城外阿切特里的一 幢别墅里.在这里,他继续他的力学研究.并致力于另 外一部著作两门新科学的撰写,终于在1638年 于荷兰的莱顿出版.此时他已双目失明.1642年1月9 日在阿切特里的别墅里安然去世.现在伽利略被尊 称为“近代物理学之父”. 2.伽利略对经典力学的贡献 (1)发现了自由落体定律:在伽利略时代人们对物体 下落的认识还停留在亚里士多德的重物体比轻物体 下落得快的水平,伽利略认为亚里士多德的观点是 错误的,但要推翻这个错误结论必须进行证明. a逻辑证明 伽略所做的推理 大前提是:重物比轻物下落得快. 假如把两个物体捆在一起,让它在与原来分别下落 的相同条件下自由下落,那么,原来较轻的物体将会 延缓较重物体的下落速度,也就是说这个复合体必 然比原来较重的物体下落得慢. 另外按照亚里士多德的观点,还可以得出另一个 结论:复合体比原来的较重物体下落得快. 可见,按照亚里士多德的物体下落速度与重量成正 比的规定,将会产生自相矛盾的结果,因此亚里士多 德的观点是错误的. 轻重 合 复 合 复 合 复 重 重 结论一 结论二 复合体 慢于 较重物体 复合体 快于 较重物体 b实验证明 斯台文的实验(定性):斯台文(15481620)是荷兰工 程师.他在伽利略之前作了一个反对亚里士多德观 点的实验. 实验过程:取两个铅球,其重量一个是另一个10倍,把 它们从30英尺高同时丢下,落在一块木板上,它们发 出的声音听上去就象一个声音一样,这个实验结果 就说明了不同重量的物体下落的速度是一样的,从 而否定了亚里士多德的观点. 斯台文实验的示意图 g 10g 30英尺 伽利略的实验(定量):1609年伽利略设计了一个斜面 实验.实验器材是一块长约6米,宽约4厘米,厚2530 厘米的木板,用其造成一个斜面.木板上刻有一条宽 约1厘米磨得十分光滑的槽.另外还有若干个不同重 量的小铜球. 实验过程:让不同重量的小铜球分别沿斜面上的槽 滚下,记下每单位时间内小球滚过的距离.通过各种 倾斜度的反复实验,伽利略发现,不论是大球或小球 ,轻球或重球,在同样的时间内都滚过同样的距离. 而且还总结出了时间t与距离s之间的的关系,即: 以上就是自由落体定律. 实验结论:在摩擦忽略不计的情况下,物体沿同一高 度、不同倾斜度的斜面到达底端所需的时间相同, 它们的末速度相同.因此,从同一高度下落的物体必 将同时落地,与它们的重量无关,进而证明亚里士多 德的重物体比轻物体先落地的观点是错误的. 伽利略实验的示意图 (2)发现了惯性运动 斜面实验发现:球滚下一个斜面后,可以滚上另一个 斜面 ,如果把途中的摩擦力可以忽略 不计的话,这个 球可以滚到和出发点一样的高度,而与斜面的倾斜 度无关;如果把后一个斜面放到水平位置,这个球就 以匀速在这个面上滚下去,就这样伽利略又发现了 惯性运动,推翻了亚里士多德关于物体运动必须有 力连续作用的观点. 惯性运动的发现证明了物体不仅有保持其静止 状态不变的的特性,而且有保持 其匀速直线 运动状 态不变的特性. 结论：物体维持其原来的运动状态,并不需要外力, 外力是改变其原有运动状态的原因. (3)发展了抛物体运动轨迹理论 伽利略用几何方法证明:平抛运动可以分解为 两种运动:一是水平面方向的匀速直线 运动,根据惯 性原理,它使物体 始终保持这一运动不变.另一个是 在引力 作用下,沿垂直方向上的自由落体运动,这一 运动使物体在这个方向上的速度按时间成正比例地 增加.这两种运动综合起来,便得出路程为抛物线状. 他还证明了为什么在抛射角为45时射程最远. 匀速直线运动 自由落体运动 二.开普勒对天体之间作用力的研究 1.开普勒简介:开普勒(15711630)生于德国南部瓦 尔城.家境贫寒.父亲是位职业军人,祖父曾当过市 长.小时候得过天花和猩红热,使得手、眼等落下 了轻度残疾. 开普勒年轻时进图宾根大学学习，指望将来当 一个牧师.求学期间,他显示出了出众的数学才华.图 宾根大学的天文学教授麦斯特林(15501631)是一 位哥白尼学说的同情者.开普勒就是从他那里得知 哥白尼学说,并立即成为哥白尼的拥护者的.毕业后 他来到了奥地利,在格拉茨大学任数学和天文学讲 师. 在奥地利期间他致力于探测六大行星轨道大小 之间的关系,围绕这个问题展开了多方面的研究 .1596年,开普勒把他的所有研究成果及构想写在 宇宙的奥秘一书中.该书引起了丹麦物理学家第 谷(15461601)的重视.1600年邀请他到布拉格观 察台工作,当他的助手.可惜的是他们相处没多久, 第谷就去世了.临终前第谷告诫开普勒:一定要尊重 观测事实. 2.开普勒的研究成果:开普勒三定律.主要研究方法 就是:在尊重事实的基础上进行数学计算. 第一定律:一切行星都沿各自的椭圆轨道运行,太阳 在该椭圆的一个焦点上. 第二定律:对任何一个行星,它和太阳连线在相等的 时间内总是扫过相等的面积. 第三定律:每个行星的椭圆轨道的半长轴的立方跟 公转周期的平方的比值都相等,即 太阳与行星 水金地 火 F1F2 At t S1 S2 a S1=S2 第一定律 图1 图2 图3 3.开普勒成功的原因:开普勒将椭圆的概念引入天文 学,这就给希腊古典天文学画上了句号.即:天体作完 美的匀速圆周运动的观点是错误的. 以椭圆代替正圆是宇宙学史上划时代的事件. 爱因斯坦对此给予了深刻的评价,他说:“开普勒的惊 人成就,是证实下面这条真理的一个特别美妙的例 子,这条真理是:知识不能单从经验中得出,而只能从 理智 的发明同观察到的事实两者的比较中得出.” 原因分析 第一:开普勒善于理论思维,具有丰富的想象力 开普勒不满足于资料的收集,而着眼于从中作 出发现,他凭借丰富的想象力和理论思维,把观察资 料与数学结合起来,建立起数学模型. 第二:严谨治学,勇于创新. 当他在研究火星运动的真实轨道时,发现第谷 对火星运动的观察值与按照哥白尼学说推算出的值 有0.133(即约8)差数.他相信第谷的观察无误,也相 信自己的计算,那么问题出在哪呢?他认为问题就出 在轨道可能不是正圆上,于是他便大胆地改用椭圆 进行计算,结果与观察值完全吻合. 第三:具有坚韧不拔的毅力和吃苦耐劳的精神. 开普勒家境清贫,生活十分贫困,能坚持几十年 做大量的数学计算工作,最终作出重大发现,若没有 顽强的毅力和吃苦耐劳的精神是不可想象的. 4.开普勒遗留的问题 是什么力量维持着行星绕着太阳旋转? 三.万有引力定律的发现 1.惠更斯的工作 (1)惠更斯简介:惠更斯(16291695)生于荷兰海牙的 一个政府要员之家,年轻时进莱顿大学学习,受过良 好的教育,在数学上有出众的天才.是英国皇家学会 的外籍会员,独身一生,在科学上有很多成就 ,牛顿称 他是尽善尽美的科学家. (2)科学成就简介: 天文学方面:1655年,惠更斯用自己磨出的更好的透 镜,新研制了一架清晰度和放大倍数更高的望远镜. 次年,他用这架望远镜发现了猎户座星云,还发现了 土星光环以及土卫 土星光环 土卫六 土星 力学方面：摆的研究 惠更斯继承了伽利略关于摆的研究，他发现单 摆只是近似等时，真正等时的摆动轨迹不应是一段 圆弧而应是一段摆弧。 将这个发现运用于设计之中,惠更斯于1656年 造出了人类第一架摆钟.惠更斯将这第一台“有摆落 地大钟”献给了荷兰政府. 只要把这个公式与开普勒的行星运动三定律联系起 来，就有可能早于牛顿发现万有引力定律。但是惠 更斯没有这样做。 另外通过对摆的研究，发现了物体保持圆周运 动需要一个向心力，并得出了向心加速度公式。 2.胡克的工作 (1).胡克简介:胡克(16351703)是英国物理学家和天 文学家.他出生于英国威特岛, 1653年进入牛津基督 教会学院读书 ，在那里遇到了化学家、物理学家 玻意耳1655年玻意耳请胡克当他的实验 室助手. 胡克在力学、光学、天文学方面都做出了重大贡献 。他同天文学家哈雷(16321723)都是英国皇家学 会中引力委员会的成员,与牛顿一道开展引力问题 研究.胡克长期从事物理学和天文学研究,并自制仪 器.他曾根据弹簧实验的结果,提出了胡克定律.用自 制的显微镜发现了植物细胞，起名叫“cell”,一直沿 用至今.1703年3月3日在伦敦逝世 胡克定律:在弹性限度内，弹簧的弹力f和弹簧的 伸长或缩短的长度x成正比，即f=-kx。k是物质 的弹性系数，它由材料的性质所决定，负号表示 弹簧所产生的弹力与其伸长（或压缩）的方向相 反。 (2).胡克关于万有引力的研究 1674年,胡克在从观察角度证明地球周年运 动的尝试一文中，提出了关于天体引力问题的三 个假设：任何天体都有朝向自身中心的引力；所有 物体只要它们作一个方向的简单运动，都将保持其 直线运动状态，直至受到其它有效的力作用方可改 变其运动轨道，显然天体在不受外力作用下，其轨 道不变；离引力中心越近,引力越大. (3).胡克的遗憾:后来,胡克又认识到力和距离的平方 成反比,这个结果已接近发现万有引力定律,只是由 于数学知识不够而丧失了发现的优先权. 3.牛顿对万有引力定律的贡献 (1).牛顿简介:牛顿(16421727)出生在英国林肯郡艾 尔斯索普村一个小农庄主家庭,是个遗腹子.在舅父 的资助下读书,18岁免费进入剑桥大学学习,21岁成 为著名数学教授巴罗(16301677)的研究生.从事力 学和光学的研究工作,独身一生. (2)牛顿科学成就简介: 在数学上他发明了微积分.在天文学上他发现 了万有引力定律,开辟了天文学的新纪元.在力学中 他系统总结了三大运动定律,创造了完整的牛顿力 学体系.在光学中他发现了太阳光的光谱,发明了反 射式望远镜. (3)牛顿对万有引力定律的贡献 a.地球对月球引力的研究:本质上就是重力 地球 月球 地球的引力 b.万有引力的发现 第一,牛顿根据开普勒行星运动第一定律和伽利略 的惯性定律,认为行星若以椭圆轨道绕日运行,而 不是匀速直线运动,就得连续不断地改变方向,因而 必须有力连续作用其上. 第二,牛顿用数学方法证明了开普勒的第二定律,即 如果面积、速度是常量,行星与太阳的连线在相等 时间内所扫过的面积相等的话,那末那个连续作用 于行星的力,就是沿着径向方向的向心力. 第三,牛顿根据开普勒的第三定律,联系惠更斯的向 心加速度公式,证明了向心力的大小与行星到太阳 的距离的平方成反比. 第四,牛顿又假定:这一引力的大小不仅与物体间 的距离平方成反比,而且与两个物体的质量的乘 积成正比,用公式可以表示成: c.牛顿在发现万有引力定律中的特殊功绩 第一:他把其他科学家以为只是局部天体之间的引 力作用推广到宇宙中一切具有质量的物体之间; 第二,从理论上精确计算出这种引力的大小; 第三,证明了任何两个物体间的万有引力可以看作 集中作用于物体 的质点 上; 第四,从万有引力定律可以推出行星运动的三定律. (4)牛顿对经典力学的综合 经典力学体系的建立:1687年出版了自然哲学的 数学原理，第一次把地面力学和天体力学统一起 来，建立起了经典力学体系. 在该书中,他首先给出了力学的基本概念,如质 量、动量、惯性、力及向心力下了定义,说明了绝 对时间和绝对空间的含义 牛顿的运动三定律 运动第一定律:是在伽利略发现的惯性运动基础上 由牛顿 扩展而成的.牛顿的表速是:任何物体将保持 它的静止状态或匀速直线运动状态,直到外力作用 迫使它改变这种状态为止.现在通常的表述是:任何 物体在不受外力作用(或所受外力之和为零)时,将保 持静止状态或匀速直线运动状态不变. 运动第二定律:牛顿对运动第二定律的原始表述是: 运动的变化与所施的力成正比,并沿力的作用方向 发生.根据牛顿的相关表述,经计算就可以得到: 质量的物理意义: 说明: 一定,越大, 所需要的力就越大. 运动第三定律:牛顿的原始表述是:每一个作用总是 有一个相等的作用和它相对抗;或者说,两物体彼此 之间的相互作用永远相等,并且各自指向对方. 现在的表述:两个物体之间的作用力和反作用力总 是大小相等,方向相反,作用在一条直线上. 碰撞 揭示的问题:运动三定律告诉我们,自然界中没有孤 立存在的力,力总是存在于两个相互作用的实体之 间,不管这种力是通过接触还是不通过接触,它总是 成对、同时出现,且大小相等、方向相反. (5)牛顿的两句名言 第一句是:“如果我比别人看得远些,那是因为我站在 巨人的肩膀上.” 第二句是:“我不知道世人怎样看我,但我自认为我不 过是像一个在海边玩耍的孩童,不时为找到比常见 的更光滑的石子或更美丽的贝壳而欣喜,而展现在 我面前的是全然未被发现的浩瀚的真理海洋.” 伽利略 哥白尼 开普勒 惠更斯 牛顿 第四章 19世纪的电磁学 一.电流的磁效应:奥斯特、安培 前言:18世纪行将结束之际，电学达到了它的最高 成就库仑定律但是电与磁之间的联系依然未 被正确认识吉尔伯特在当时认为电与磁没有什 么共同性这一看法延续了很长时间，库仑也探 讨过电与磁的相关性，但在实验上一无所获，结 果也相信电与磁没什么关系19世纪电磁学的大 发展正从认识到电磁的内在统一性开始的 1.奥斯特:丹麦物理学家(17771851)青年时代就是 康德哲学的崇拜者，1799年的博士论文讨论的就 是康德哲学后来他周游欧洲，成了德国自然哲学 派的追随者1806年回国后，被母校哥本哈根大学 聘为教授 2.奥斯特的研究工作:奥斯特一直坚信电磁之间一定 有某种关系，电一定可以转化为磁在1812年的一 本书中，奥斯特推测，既然电流通过较细的导线会 产生热，那么通过更细的导线就可能发光导线的 直径再小下去，还可能产生磁效应沿着这个思路 ，奥斯特做了许多实验，但都没有取得成功 1819年冬天，他受命于主持一个电磁讲座，有 机会继续研究电流的磁效应问题他产生了一个新 的想法，即电流的磁效应可能不在电流流动的方向 上为了验证这个想法，他于次年春设计了几个实 验，但还都没有成功1820年4月，在一次讲座快 要结束时，他灵机一动又重复了这个实验，果然发 现电流接通时附近的小磁针动了一下奥斯特惊喜 万分，又反复实验，终于在1820年7月发表了关 于磁针上电流碰撞的实验的论文。论文指出，电 流所产生的磁力既不与电流方向相同也不与之相反 ，而是与电流方向相垂直。还指出，电流对周围磁 针的影响可以透过各种非磁性物质。 3.安培:法国物理学家（17751836)生于一个富裕的 商人之家据说他是一个心不在焉的教授，常常沉 入思考而忘记周围的一切，有一次连拿破仑的宴会 . 都忘了去，但他是一位天才物理学家，不仅具有良 好的数学基础，而且精于实验 4.安培的研究工作:奥斯特的发现马上轰动了整个欧 洲科学界.安培敏锐地感到这一发现的重要性,第二 天即重复了奥斯特的实验.一周后,他向科学院提交 了第一篇论文,提出了磁针转动方向与电流方向相关 判定的右手定则.再一周后,他向科学院提交了第二 篇论文,讨论了平行载流导线之间的相互作用问题 .1820年底,安培提出了著名的安培定律. 安培定律指出,两电流元之间的作用力与距离 平方成反比.这一极为重要的定律构成了电动力学 的基础.“电动力学”的概念也是安培首先提出来的, 用来指研究运动电荷(电流)的科学.与之相对的是“ 电静力学”,库仑定律则是电静力学中的基本定律. 安培之前,“电流”的概念尚未形成一个科学的 概念,安培把电流的方向规定为由正极指向负极.今 天我们知到,电流的本质是电子由负极向正极的运 动.安培的规定正好反了. 奥斯特只是发现了电流对磁针的作用,而安培 却在极短的时间里将这一发现推广到电流与电流之 间的相互作用,并接连发现作用的方向与大小,给出 了判定方向的方法及计算大小的公式.除此之外 ,1821年初,安培进一步提出了分子电流假说,他认为, 物体内部每一个分子中都带有回旋电流, 因而构成了物体的宏观磁性.17年后这一假说被证 实.于是人们不得不惊叹安培过人的天才. 二.欧姆定律 1.欧姆:德国物理学家(17891854),生于埃尔兰根的 匠人家里, 没有正式上过大学,只在埃尔兰根大学旁 听过,以后一直当中学教师. 2.欧姆定律的发现:欧姆热心于电学研究,曾多次测 量过不同金属的导电率.起初,他所使用的伏打电池 的电流不太稳定,使他的研究总是不理想.1822年,德 国物理学家塞班克(17701831)发现了温差电效应, 从而发明了温差 电池.由于温差电池可以提供稳定的电流,这使欧姆 金属导电率研究有了重大突破. 法国数学家傅里叶已经发现,热传导过程中热 流量与两点间的温度差成正比.爱此启发,欧姆猜测 电流表也应该与导线两端之间的某种驱动力成正比 .他把这种驱动力叫做“验电力”,今天我们把它称之 为电势差.要验证这一猜测,就必须测量电流的大小, 但实际操作起来效果很差.就在奥斯特发现了电流 的磁效应以后,欧姆依此原理设计了一种扭称,就可 以很方便地测量电流的大小.就这样欧姆终于得出 了著名的欧姆定律. 欧姆将他的实验结果发表于1826年,次年又出版了 关于电路的数学研究,给出了欧姆定律的理论 推导.但他的成果在国内并未受到重视,甚至遭到非 难.然而他的工作在国外越来越受到重视,伦敦皇家 学会于1841年授予他科普利奖章,1842年接受他为 会员.他的祖国终于认识到了他的价值.1849年,慕尼 黑大学聘请他为教授,欧姆终于实现了他青年时代 当一名大学教授的理想. 三.法拉第的电磁感应定律 1.法拉第:英国物理学家(17911867),他的一生是在 逆境中顽强奋斗的一生. 既然电流有磁效应,科学家自然想到磁可能也 会有电流效应.尽管许多人为此做了不少实验,但磁 的电流效应并未立即被发现.直到奥斯特的发现十 年后,才由法拉第和美国物理学家亨利完成了这一 伟大壮举. 2.实验过程:1824年,法拉第设计了一个实验,用以检 验磁的电流效应.他让两根导线平行放置,然后在一 根导线中通电,看看另一根导线中会不会有电流效 应.他当时希望看到导线中产生稳定的电流,结果瞬 间的电流感应未被他注意到.以后多次实验均无结 果. A 1831年8月29日,他又设计 了一个新的实验.他在一个 软铁环上绕了两段线圈,一 段线圈与电池相连,另一个 则与电流计相连.这时他 发现当电流接通时,电流计产生了强烈的振荡,但 不久回复到零位置,而当电流计断开时,电流计又 发生同样的现象.法拉第起先不明白这里的含义.9 月24日,他将与电流计相连的线圈绕在一个铁圆筒 上,又发现每当磁铁接近或离开时,电流计都有短 暂的反应,这表明,磁确实可以产生电,虽然只是短 暂的. A A 插入 拔出 同年十月1日,法拉 第将两根绝缘铜线分别 绕在同一根木头上,形成 两组线圈,一组与电池相 连,另一组与电流计相连 .当电池接通或断开时, 电流计指针跳动,随后就 回到零位.17日,法拉第 进一步发现,仅仅用一根 永磁棒插入或拔出线圈, 就能从与线圈相连的电 流计中发现指针偏转.至 此 法拉第用实验证明了感生电流的存在.11月24日,他 向皇家学会提交了一篇论文,报告了他的重大发现. 除此之外,1834年,法拉第还发现了自感现象. 3.意义:感生电流的发现有着重大的意义,它意味着 通过连续地运动磁体可以不间断地得到电流.据说 法拉第本人很快就做了一个模型发电机.电动机和 发电机的问世预示着人类电气时代的到来. 值得一提的是,还有一个人与法拉第同时做出 了电磁感应的伟大发现,他就是美国物理学家亨利 (17971878).1830年,他就初步发现了电流引起的磁 场在通电或断电时能产生瞬间电流.但他的实验结 果一直没有发表,人们还是将电磁感应现象的发现 归功于法拉第. 4.法拉第的其它贡献: (1).创造的“场”和“力线”的概念,建立了电磁感应定 律. (2).1845年法拉第发现了磁的旋光效应即著名的法 拉第效应.次年又提出光的本性是电力线和磁力线 的振动.这一看法后来被麦克斯韦发展成为光的电 磁说. (3).预言了电磁波的存在.法拉第在1832年3月12日 写给皇家学会一封信,信中说;“我认为,磁力从磁极 出发的传播类似于起波纹的水面的振动或空气粒子 的声振动,也就是说,我想把振动理论应用于磁现象, 就像对声音所作的那样,而且这也是光现象最可能 的解释.” 四.麦克斯韦的电磁理论 1.面临的问题:电磁学中的一些重要定律,如库仑定 律、安培定律、法拉第电磁感应定律均很快被数学 物理学家用严密精确的数学公式数学化.但这些 理论还需要高度的综合化、系统化,最终形成严密 系统的理论体系. 2.麦克斯韦:英国物理学家(18311879).出生在爱丁 堡一个名门望族,1847年进入爱丁堡大学学习数学 和物理.1850年考入剑桥大学,主攻数学物理学.1854 年大学毕业,数学成绩非常优秀.1871年回到母校剑 桥大学任实验物理学教授.在这期间他亲自创办了 卡文迪许实验室. 3.麦克斯韦的电磁理论研究 (1).1855年麦克斯韦写了论法拉第的力线一文, 第一次试图赋予法拉第的力线概念以数学形式,从而 初步建立了电与磁之间的数学关系.麦克斯韦的理论 表明,电与磁不能孤立地存在,总是不可分离地结合 在一起.这篇论文发表在英国科学促进会报告集 中,使法拉第的力线概念由一种直观的想象上升为 科学理论. (2).1862年,麦克斯韦发表了第二篇论文论物理学 的力线.在这篇论文中,他提出了自己首创的“位移 电流”和“电磁场”等新概念,并在此基础上给出了电 磁场理论的更完整的数学表述. (3).1864年,麦克斯韦向皇家学会宣读了另一篇著名 的论文电磁场的动力学理论.他认为,变化的电 场必激发磁场,变化的磁场又激发电场,这种变化着 的电场和磁场共同构成了统一的电磁场.电磁场以 横波的形式在空间中传播,形成电磁波. (4).麦克斯韦提出了光的电磁理论.在建立了完整的 电磁理论之后,麦克斯韦推算出了电磁波的传播速 度,并发现与光速十分接近.于是麦克斯韦在他的书 中写到:“电磁波的这种速度与光的速度如此之接近, 好像我们有充分理由得出结论说,光本身是一种电 磁干扰,它是波的形式,并按照电磁定律通过电磁场 传播.” (1).1857年,麦克斯韦曾提出土星光环的颗粒构成理 论.他认为:这个光环从地球上看上去很像一个圆盘, 但如果它果真是一个固体或流体的结构,那么引力 和离心力等作用必定会使它分崩离析,除非它是一 条带状的小天体群,否则不会保持稳定. 4.麦克斯韦其它方面的科学成就 (2).麦克斯韦在分子运动论领域做出过重要贡献.他 曾提出一个假想的实验以表明热量可以由低温向高 温逆流,但环境要付出更大代价. 1.赫兹简介:德国物理学家(18571894)。生于汉堡 。父亲为律师，后任参议员；家庭富有。赫兹在少 年时期就表现出对实验的兴趣，12岁时便有了木工 工具和工作台，以后又有了车床，常常用以制作简 单的实验仪器。1876年进入德累斯顿工学院学习工 程,由于对自然科学的爱好,转入慕尼黑大学学习数 学和物理，第二年又转入柏林大学，在亥姆霍兹指 导下学习并进行研究工作。1880年他以纯理论性工 作的旋转导体电磁感应论文获得博士学位，成 为亥姆霍兹的助手。1883年到基尔大学任教。1885 1889年任卡尔斯鲁厄大学物理学教授， 五.电磁波的实验发现 1886年开始进行使他闻名世界的关于电磁波的实验 工作。18891894年任波恩大学物理学教授接替R. 克劳修斯的席位。1894年1月1日因血中毒而实施外 科手术,手术失败不幸在波恩逝世，当时年仅36岁 。为了纪念他发现电磁波的卓越贡献，将频率的单 位命名为赫兹，现行国际单位制(SI)仍沿用。赫兹 在物理学上的贡献主要是发现电磁波。 2.电磁波的发现: 第一阶段:从1878年开始,赫兹就至力于电磁波的实 验研究.1886年,他在做放电实验时发现近处的线圈 也发出火点,他敏锐地意识到这可能是电磁波在起 作用. 第二阶段:赫兹设计了一个振荡电路用来在两个金 属球之间周期性地发出电火花,按照麦克斯韦理论, 在电火花出现时应该有电磁波发出.然后赫兹又设 计了一个有缺口的金属环状线圈,用来检测电磁波. 结果,当振荡电路发出火花时,金属缺口处果然也有 较小的火花出现.这也就证明了电磁波的确存在. 第三阶段:赫兹进一步在不同的距离观测检测线圈, 从而根据电火花的强度变化大致算出了电磁波的波 长. 最后,赫兹在1888年1月发表的相关论文当中证明了 电磁波具有与光完全类似的特性,还证明了电磁波 的传播速度与光速有相同的数量级.赫兹的实验发 现不仅证明了麦克斯韦理论的正确,也为人类利用 无线电波开辟了道路