近代自然科学(16-18世纪).ppt

第二部分 近代自然科学 16-18世纪的自然科学 16-18世纪纪的自然科学 n 经过近代科学革命洗礼的自然科学在18 世纪末之前，主要还处于搜集材料的阶段。 这一时期唯有经典力学得到较完善的发展， 形成了经典力学体系。其他学科虽有了初步 的研究或较大的发展，但其水平还不高，真 正的科学还没有超出力学的范围。 一、物理学 n1、经典力学体系的形成 n伽利略：近代实验物理学的先驱，“近代科学之父” n开普勒：行星运动三定律 n牛顿：万有引力定律，牛顿力学三定律，标志着经典 力学体系的创立 n2、对热和电磁现象的实验研究 n3、几何光学的发展 伽利略生平介绍 (1564-1642年) 意大利的杰出天文学家和物 理学家。16091610年，他第一 次用望远镜观察浩瀚无际的天空 ，发现了可以证明哥白尼学说的 许多事实。 n伽利略绘制的月面图 和星空图 伽利略认为较小天体围绕较大的天体公转是一种 自然规律。1632年，伽利略在他的关于托勒密和哥 白尼两大宇宙体系的对话中，根据观察到的事实， 结合力学原理，批判了托勒密学说的荒谬，论证了哥 白尼学说的科学性。这一著作是继哥白尼之后，对经 院哲学的又一沉重打击，进一步动摇了基督教统治的 思想基础，在科学史上占有重要地位。 伽利略 n 伽利略的天文学著作发表之后，受到基督教会的攻击，并 被列为禁书。1633年，他被传到罗马受审，受到严刑逼讯。 近代实验科学的开端 伽利略还是一位卓越的物理学家，他发现钟摆的摆动， 虽然摆幅大小一次比一次减小，但每次摆动的时间却总是 相等的，由此发现了著名的钟摆的等时性定律，并用单摆 周期作为时间量度的单位（1583年）。 伽利略还发现了物体的加速度与重量无关，这样就否定 了亚里斯多德关于落体加速度与重量成正比的臆断。 1638年，伽利略发表了关于两种新科学对话 集，研究了物体的距离、速度和加速度之间的关 系，提出了无穷集合的概念。这是伽利略最后一部 科学著作，在物理学方面取得重要成就。 他重视实验和数学工具的做法标志着近代科学 的出现。 近代科学之父 “欧洲星学之王”第谷布拉赫 n 1572年11月11日丹麦天文学家第谷发现仙后座中的一 颗新星（银河系的一颗超新星），第二年发表论文新星 ，后来受丹麦国王腓特烈二世的邀请，在汶岛建造天堡 观象台，建造了许多大型精密的天文仪器，经过20年的天 文观测，第谷发现了许多新的天文现象。 n 第谷布拉赫曾提出一种介于地心说和日心说之间的 宇宙结构体系：地球静居中心，行星绕太阳运行，而太阳 则带领行星绕地球运转。这一体系十七世纪初传入我国后 曾一度被接受。 第谷对天文学的贡献是不可磨灭的，他用肉眼观测行 星运动，比以前的观测几乎准确了20倍，是他同时代的人 望尘莫及的。第谷编制的一部恒星表相当准确，至今仍然 有使用价值。 （15461546 16011601） 丹麦天文丹麦天文 学家和占学家和占 星学家星学家 “天空立法者”开普勒(1571-1630) 开普勒德国天文学家、光学家。1571年12月27日 生于德国魏尔，父亲早年弃家出走，母亲脾气极坏 。他是七个月的早产儿，从小体弱多病，四岁时的天花在脸 上留下疤痕，猩红热使眼睛睛受损，高度近视，一只手半残 ，又瘦又矮。但他勤奋努力，智力过人，一直靠奖学金求学 。1587年进人蒂宾根大学学习神学与数学。他是热心宣传哥 白尼学说的天文学教授麦斯特林的得意门生，1591年取得硕 士学位。1609-1619年开普勒根据第谷的观测资料提出了行星 运动三大定律。 开普勒的艰辛 n 开普勒面对第谷留下的大量的天文资料，向自己提出 了两个问题：第一，怎样从大量可靠的观测资料中确定行 星运行轨道的精确形状？第二，这些行星运动遵循什么规 律？ n 为了回答这两个问题，开普勒先借助于火星，利用三 角测量法，巧妙地确定了地球的“真实”轨道。然后他参考了 地球的“真实”轨道，从偏心圆的角度来确定火星的轨道，他 作了多达七十次的艰巨、冗繁的计算，才找到一个比较符 合第谷数据的方案。 n 但是，细心的开普勒发现，由此算出的火星 位置同第谷的数据间相差8分，就是0.133度。这 是第谷的数据发生了误差，还是火星的轨道根本 就不是圆呢？开普勒凭借着自己良好的科学素养 ，毫不犹豫地选择了后者，他坚定地说：“这8 分是不允许忽略的，它使我走上了改革整个天文 学的道路。”后来，开普勒向行星轨道形状也许 是椭圆的方向进行了大胆的探索，终于取得了成 功。 行星行星 运动运动 第一第一 定律定律 n第一定律又称椭圆轨 道定律，定律指出：“ 所有行星分别沿不同大 小的椭圆轨道绕太阳运 动，太阳处于椭圆的一 个焦点上。” 行星运动第二行星运动第二 定律定律 n 第二定律又称面积定律，定律指出：“在行星运动时，联 结行星和太阳的线，在相等的时间内，永远扫过同样大小的面 积。” 自然辩证法概论 张胜光制作16 n 这是一个十分重要的自然定律， 不仅行星遵循着它，连同行星的卫星 以及太阳周围的其他天体概无例外。 从而可以确定，太阳系是一个有严密 组织的天体系统。 n 它成了天空世界的“法律”， 后世学者尊称开普勒为“天空的立法 者”。 n 开普勒在他的三大定律完成后，抑制不住自己 的巨大喜悦，在书的前言中写道： “这正是我十 六年前就强烈希望探求的东西。我就是为了这个目 的同第谷合作的现在大势已定！书已经写成， 是现在被人读还是后代有人读，于我却无所谓了。 也许这本书要等上一百年，要知道，大自然也等了 观察者六千年呢！” 开普勒的喜悦 1666年，英国科学家牛顿从开普勒行星 运动的三大定律推出“万有引力”的定律， 为哥白尼的学说奠定了理论基础。 开普勒同样受到基督教会的迫害，他的 著作被列入禁书目录。他在长期饥寒交迫中 病逝。 牛顿（16421727年） n 在伽利略、开普勒等人研究工作的基础 n 上，英国物理学家牛顿把物体的运动规 律归结为三条基本运动定律和万有引力定律，由 此建立起一个完整的力学理论体系。这样，他就 把过去一向认为是截然无关的地球上所谓“世俗” 的运动和日月星辰那些属于神圣的“天堂”的运动 统一在同一理论框架之中。这可以说是人类认识 自然的历史中第一次理论的大综合。 牛顿力学三大定律 n第一定律（惯性定律或伽利略定律）：物体在无外 力作用时，或者保持它的静止状态，或沿着笔直的线作匀 速运动的状态。（静者恒静，动者恒动） n第二定律（加速度定律）：运动的变化与外加推动力 成正比；并发生在该力的作用线方向上。F = ma n第三定律（作用力与反作用力定律）：对每一个作 用力，总存在一个相等的反作用力和它对抗；或者说，两 个物体彼此施加的相互作用力总是相等的，并各自指向其 对方。 自然辩证法概论 张胜光制作21 n 1687年，牛顿自然哲学之数学原理出版。这是 经典力学的第一部经典著作（标志着经典力学体系的创 立），也是人类掌握的第一个完整的科学的宇宙论和科 学理论体系，其影响遍布经典自然科学的所有领域。牛 顿力学是整个近代物理学和天文学的基础，也是现代一 切机械、土木建筑、交通运输等工程技术的理论基础。 n 牛顿在整个科学史上占有独特的地位，他给以后整 整两个多世纪的科学思想深深地打上了自己的烙印。他 的伟大不能完全归功于个人的聪明才智，牛顿自己也承 认他是站在巨人肩上，因此比别人站得更高看得更远。 对热的研究 n对热现象的实验研究是从测量温度开始的。 n1617世纪，温标和温度计的发明及改进为测量温度 的变化提供了便利手段，这是热学走上定量科学的第 一步。 n1756年，英国布莱克提出潜热和比热的概念，并创立 了测定热量的理论和方法，使热学的发展又向前迈出 了一步。 n热质说（热素说）：把热看做是一种没有质量、没有 体积、具有广泛渗透性的特殊的物质，它可以在热交 换中，从一个物体流向另一个物体，但总热量是守恒 得。热质说成为18世纪占统治地位的一种观点。 对电磁现象的实验研究 18世纪对电和磁的实验研究尚局限于静电和静磁方面。 这一时期电学的主要成就是关于静电相互作用和电的运动特 性的研究。 n1729年，首次对导体和绝缘体进行了区分。 n1734年，在自然界中发现两种不同的电：正电和负电。并 证明电有同性相斥异性相吸的特性。 n17451746年，制造了能储存电荷的装置莱顿瓶，为电 学的实验研究和理论发展创造了更好的条件。 n1785年，法国库仑提出著名的库仑定律。标志着电学成为 一门独立学科。 n英国的富兰克林，做了风筝实验，证明闪电是一种自然界的 放电现象，与摩擦产生的电没有区别。后来发明了避雷针。 n1800年，发明了伏达电池。 几何光学的发展 1718世纪，几何光学得到了较大的发展。 n1621年，发现了光的折射定律。 n1655年，发现了光线传播中除了直进、反射和折射以 外的衍射现象。 n17世纪下半叶以来，由于牛顿和惠更斯对光学的深入 研究，使得光学真正走上科学的道路。 n牛顿在光学上的主要贡献是对颜色的研究。1704年出 版的光学一书，阐明了对颜色本性的解释。 n光的微粒说（牛顿：弹性物质微粒流）和光的波动说（ 惠更斯：具有冲量的振动），18世纪光的微粒说占据 统治地位。 二、数学 n解析几何学的创立 n把点和数联系起来，把曲线和方程联系在一起， 从而能够利用代数方法来研究几何学。 n其创立归功于费尔玛和笛卡儿 n为微积分的发展铺平道路 n微积分的创立 n微积分由牛顿和德国莱布尼兹建立 n在实践中的应用非常广泛和有效，为自然科学的 进一步发展提供了有力的数学工具。 16世纪以来，数学需要处理的许多问题都与运动中的 物体和变化着的量有关，这样，数学研究的对象便从常量 扩展到变量，数学的发展也进入了变量数学时期。 三、化学 n化学是研究物质的组成、结构、性质及其变 化规律的科学。 n化学作为一门独立的学科是从炼金术的束缚 中解脱出来的。 n科学化学的确立： n玻义耳：怀疑派化学家，近代化学的奠基人 n从燃素说到氧化燃烧理论： n拉瓦锡：燃烧概论，第一个科学理论 近代化学的奠基人玻义耳(1627-1691) n玻义耳是英国化学家、物理学家。他不喜欢空谈，主张“实验 决定一切”。1661年，他的怀疑派化学家一书的出版，标 志着化学确立为一门科学。 n在书中，他首先为化学确立了独立的任务和目标，认为化学的任务不只 是制备药品、制取金属和转变金属，而应从那些技艺中找出一般原理， 这就第一次明确地把化学与炼金术和其他工艺化学区分开来。 n其次，他批判了古代的“四元素说”、炼金术的“三元素说”和医药化 学派的物质构成的观点，给物质元素下了一个比较科学的定义。他认为 元素是指那种原始的、简单的、一点没有混杂的物质，他不能由任何其 他物质构成或相互构成，它是所谓混合物的基本成份，也是混合物最终 分解的要素。 n第一次引进了化学分析的名称，使化学分析方法从利用物理性 质为主进行检验发展到利用化学性质为主的检验方法，奠定了 分析化学的基础。 燃素说 n从理论上探讨燃烧现象的本质和规律。 火微粒 l玻义耳 油状土 l贝歇耳 燃素说 l施塔耳 n燃素说认为，燃烧是物体释放燃素的现象和过程，燃素是细小而 活泼的微粒，充斥于一切可燃物、动植物和金属中，物体燃烧时 放出燃素变成灰烬，灰烬获得燃素又可重新成为物体。 n燃素说是第一个把化学现象协调统一起来的学说，在一定程度上 回答了生产实践和化学实验中提出的理论问题，因此在化学发展 史山起了一定的积极作用。到18世纪中叶还居于统治地位。 拉瓦锡（1743-1794）氧化燃烧理论 n18世纪下半叶，氧气被发现，化学由此迎来了大发展的转 折点。（瑞典舍勒、英国普里斯特利：失燃素空气） n拉瓦锡于1777年发表燃烧概论一文，完整阐述了他的 氧化燃烧学说。该学说是化学史上第一个科学的理论，它 指出了燃素说的错误根源，澄清和统一了18世纪相当混乱 的化学思想。 n1789年拉瓦锡出版了化学纲要一书，详尽的论述了推 翻燃素说的各种实验依据和以氧为中心的氧化理论，阐述 了化学质量守恒定律，并根据自己的元素概念，列出了化 学史上第二张元素表，概括了当时所认识的33种元素。 n他虽然抛弃了燃素说的观念，却错误地把光素和热质作为 物质实体列入化学元素表内，阻碍了化学的发展。 四、天文学 n天体力学的建立 n康德拉普拉斯星云假说 哥白尼创立的日心说奠定了近代天文学的 基础，随着经典力学的日臻完善和变量数学的 发展，在天文学中又产生了天体力学。同时， 人们对天体的起源和演化问题也提出了一些意 义深远的假说。 天体力学的建立 n1799年，法国数学家和天文学家拉普拉斯出版 了天体力学的代表作天体力学。在该书中， 他第一次提出了天体力学的概念，把牛顿的万有 引力定律推广到整个太阳系。 n天体力学的建立和发展，使天文学从单纯描述天 体位置的几何关系，进入到研究天体之间力的作 用，使人们对天体的认识进入了一个新的领域。 康德拉普拉斯星云假说 n德国哲学家康德在1755年出版的宇宙发展史概论 一书中，提出了太阳系起源于原始星云的假说。其意 义在于：1.正确指出了太阳系是物质在时间的进程中 逐渐发展而来的。2. 通过引力和斥力的矛盾运动说明 了自然界是一个有规律的发展进程。 n1876年拉普拉斯提出一个类似的星云假说。他认为， 太阳系起源于一个巨大、炽热且缓慢转动着的原始星 云；由于逐渐的冷却，星云不断收缩，转动加快，从 中分离出绕星云中心转动的气环；气环中物质的不均 匀性使气环断裂，逐渐形成行星，星云中心凝聚成太 阳。 五、近代地质学的产生 n随着近代航海和地理大发现，以及来自近代科学思想 和方法的影响，特别使近代工业和采矿业的发展，要 求人们对大量已积累的地质资料给予科学的说明。为 适应这种需要，涌现出一批地质学家。这样地质学也 开始自立于自然科学之林，成为一门独立的学科。 n18世纪，岩石成因的水成论（德国魏尔纳）和火成论 （英国赫顿）之争 n地质学中的“水火之争”，吸引了更多的学者从事新的地 质考察和研究，促使实验地质学产生。 六、生物学 n 这