近代自然科学的初步发展.ppt

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 近代自然科学的初步发展 第二章 第一次产业技术革命,第一章 近代自然科学的初步发展,第一章 近代自然科学的初步发展,14世纪发端于意大利、随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。文艺复兴不仅创造了近代的古典文学和艺术，而且由于它对经院哲学的蔑视和拒斥、对现实世界和世俗生活的关注、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有利的文化氛围。,文艺复兴之城佛罗伦撒,文艺复兴，是14至16世纪在欧洲兴起的一个思想文化运动，带来一段科学与艺术革命时期，揭开了现代欧洲历史的序幕，被认为是中古时代和近代的分界。马克思主义史学家认为是封建主义时代和资本主义时代的分界。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,第一章 近代自然科学的初步发展,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,第一章 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,第一章 近代自然科学的初步发展,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。,意大利航海家哥伦布塑像,哥伦布归航后觐见国王,第一章 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、哲学家培根(F. Bacon，15611626)在1620年就曾指出，“三大发明”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，能做这三种发明那样巨大和深远。,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 。,第一章 近代自然科学的初步发展,1.1 科学革命的突破,1.1.1 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。 古代人为了生产等需要，已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,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，这样一来。原本很单纯的天文学理论地心说就变成了维护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,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。,随着时间延长，“地心说”与实际的偏离越来越大。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,1.1 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 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。 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。右 图为维萨留斯在书中描绘 的人体静脉系统，其精密 程度另人赞叹。,维萨留斯,1.1 科学革命的突破,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,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，把盖仑的医学理论绝对化、凝固化，用来论证宗教神学的结论。 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。,1.2.1 开普勒对天空“立法” 1600年，开普勒到布拉格担任第谷的助手。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,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 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。开普勒是继哥 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 人物，被后世科学史家称为“天空的 立法者”。开普勒生在德国威尔的一 个贫民家庭， 1587年，他进入蒂宾根 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 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 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。,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：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,2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。 3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：,开普勒第二定律,1.2.2 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 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、抛体的运动定律、摆振动的等时性等。关于两门新科学的对话和数学证明对话集总结了他的科学思想以及在物理学和天文学方面的研究成果。,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，认为经验是理论知识的源泉。,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： 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。,1.3 近代科学的第一次大综合,1.3.1 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。 英国著名诗人Pope写道： 自然界和自然界的规律隐 藏在黑暗中， 上帝说：“让牛顿去吧！” 于是一切成为光明。,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状态的一种作用”。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，即获得加速度。,自然哲学的数学原理,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。,1.3.2 万有引力定律 牛顿在建立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，力的大小与两个物体质量乘 积成正比，与两个物体之间的距 离的平方成反比。,1.4 其它学科的初步发展,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，这种方法就是他在17世纪 上半叶创立的用代数方法来研 究几何问题解析几何。,笛卡儿 分型,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。（右图为莱布尼茨）,化学： 近代化学的前身是古代的炼丹术和炼金术。炼丹术和炼金术与神秘主义有关，炼丹术士和炼金术士以分散的神秘活动为特色，他们对长生不老、发财致富的不懈追求，虽然我们今天看来荒诞不经，但是却也为我们积累了很多的化学知识。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。左下图为其二人的化学实验室，右下图为玻意尔实验室。,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。,拉瓦锡是近代化学奠基人之一。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（中译名氧）。,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,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 i=t 折射定律：光从疏介质入射密介质，折 射角小于入射角。 n1x sin1= n2 x sin2 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，如何用最短的时间去救他，选择1绕远必然被放弃了，选择2是最短路线，但我们却选择3，因为在陆地上速度更快，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。牛顿通过一系列的研究,根据光的直线传播原理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。光的本性问题是研究的焦点。,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。 波动说与微粒说的争论几乎贯穿近代物理光学研究的始终。波粒之争从十七世纪初笛卡儿提出两点假说开始、至二十世纪初以波粒二象性告终，共经历了三百多年的时间。,光的波动,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。 右图上为胡克的显微 镜，下为他用显微镜看到 的软木细胞和跳蚤。,电磁学： 电磁研究在18世纪有一些进展，人们对电磁现象进行了一系列观察，并初步制造了一些电磁学试验仪器。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,1.5 近代科学方法,1.5.1 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，开创了以经验为手段，研究感性自然的经验哲学的新时代，对人类哲学史、科学史都做出了重大的历史贡献。为此，罗素尊称培根为“给科学研究程序进行逻辑组织化的先驱”。,培根,1.5.2 笛卡儿创立数学演绎法 只把无需怀疑的东西放入我的判断 难题细分，直至完全解决 从最简单、容易的开始，渐渐上升到复杂对象 把一切情况列举，尽量无遗漏,笛卡儿强调演绎方法,强调数学方法是最主要的普遍科学方法,对后来的科学发展产生了重要影响。当然,正如片面强调归纳法是有缺陷的一样,如果仅仅片面强调演绎法也是不完全