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甘肃省临夏中学单元教案系列第一节 自然科学历史教师 王鹏概况：国家人物时间成就作用地位近代数学的建立法国笛卡尔提出解析几何学17世纪，数学的发展突飞猛进；把形与数统一起来，实现了从常量数学向变量数学的转折，使精密测量和变量计算成为可能。英国牛顿提出微积分学德国莱布尼茨牛顿力学英国牛顿机械运动三大定律和万有引力定律是对自然规律的理性概括，是近代科学形成的标志电磁学英国吉尔伯特论磁体为制造发动机提供了可能，开辟了电的时代丹麦奥斯特发现电流磁效应英国法拉第用实验证明电磁感应现象英国麦克斯韦建立系统电磁学理论德国赫兹证明麦克斯韦的理论化学英国波义耳把实验方法引入化学近代化学的创始人法国拉瓦锡提出质量守恒定律意大利阿伏加德罗提出分子概念标志近代化学发展时期的开始英国道尔顿创立原子论俄国门捷列夫发现元素周期律是无机化学的系统化和大综合生物学英国哈维血液循环理论奠定了近代生理学的基础瑞典林奈制定植物分类学德国施来登提出细胞学说是植物的基本单位德国施旺形成细胞学说法国马克提出生物进化观点英国达尔文确立进化论是对生物学的大综合法国巴斯德奠定微生物学的基础物理学新时代德国伦琴发现X射线居里夫妇提炼镭德国爱因斯坦狭义和广义相对论否定绝对时空观，发展了牛顿力学一、近代数学的建立1、解析几何学的创立。解析几何学是法国著名哲学家、数学家笛卡尔于1637年创立的。他最早导入运动着的一点的坐标概念，指出了平面上的点和实数对(X，Y)的对应关系，提出对于一个二元方程F(X，Y)=0满足这方程的X，Y值无穷多，X，Y不同的数值所确定平面上许多不同的点，便构成了一条曲线。这样，就把过去数学里孤立着的两个研究对象“形”和“数”结合起来，并在数学中引入“变量”，完成了数学史上一项划时代的变革。正如恩格斯所说，“数学中的转折点是笛卡尔的变数。有了变数，辩证法进入了数学；有了变数，微分和积分也就立刻成为必要的了。”2、微积分学的建立。微积分学是英国科学家牛顿和德国科学家莱布尼茨于16651673年间，在前人研究的基础上，分别独立地创建的。牛顿从运动学的观点，莱布尼茨从几何的角度，分别研究得出了导数(求导数即微分学)、积分(求积分即积分学)的基本概念和运算法则，阐明了求导数和求积分是互逆的两种计算，从而建立了微积分的初步基础。微积分的产生，使精密的测量和变量计算有了可能；从微积分以后，数学开始进入一个新的以变数为主的领域，即“高等数学”。这不仅在数学史上而且在整个人类的认识史上都是一次巨大的飞跃。二、牛顿力学体系的建立1、牛顿力学体系的建立。牛顿出身于一个贫苦的小农家庭，后以减费生进入剑桥大学，在他的舅父和老师的帮助下，成长为英国著名的物理学家、数学家、天文学家。牛顿在科学史上享有崇高地位，在自然科学领域内作出了奠基性的贡献。1687年，他发表了科学巨著自然哲学的数学原理，把物体的运动规律归结为运动三大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，即牛顿力学体系(也称经典力学体系)。2、牛顿力学体系建立的巨大意义。牛顿力学体系正确地反映了宏观物体低速运动的客观规律，它把过去一向认为是截然无关的地球上的物体运动规律和天体运动规律概括在一个统一理论中，实现了自然科学的第一次理论性的大综合。这是人类对自然界认识的一个飞跃。牛顿力学是整个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。3、本目小字写了海王星、冥王星的发现，旨在说明牛顿理论的预见性、科学性。利用万有引力定律可以计算天体的质量，海王星、冥王星的发现就是应用该定律取得重大成就的例子。三、电磁学的成就1、奥斯特发现电流的磁效应。电和磁是两千多年前就已发现了的自然现象，但在19世纪以前，人们始终认为两者是互不相关的。1820年，丹麦物理学家奥斯特首次发现电流周围存在着磁场。在一次实验中，他在一根直导线的附近放了一枚小磁针，使磁针和导线平行，当导线中有足够强的电流通过时，磁针突然偏转，并与导线垂直，从而证明了电流周围存在着磁场。这就是著名的奥斯特实验。这一发现把电和磁联系起来，为电磁学的系统研究工作奠定了基础。此后，电和磁的研究在欧洲一些主要国家中迅速开展。2、法拉第的电磁感应定律。在奥斯特发现电生磁以后，英国物理学家、化学家法拉第就开始探索怎样“把磁转化为电”。经过10年的努力，终于在1831年通过实验发现了电磁感应现象：闭合电路中一部分导体在磁场里做切割磁力线的运动时，闭合电路中就有电流产生。1851年，他确立了电磁感应定律：电路中感生电动势的大小，与穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。电磁感应现象的发现，是19世纪电磁学的辉煌成就，为制造发电机和电动机提供了理论基础，为人类开辟了一种新的能源，打开了电力时代的大门。但从法拉第实验到应用于生产的发电机，中间还经历了35年(1866年西门子研制成功自激直流发电机)。19世纪70年代，以电力的广泛应用为首要标志的第二次工业革命开始了，人类由蒸汽机时代跨进了电气化时代。从电磁学的实验和理论研究到电力时代的出现，生动地表明，科学对生产的发展，不仅能起直接的推动作用，而且已经走在生产的前面，起了指导作用。由此，我们也可以加深对邓小平同志提出的科技是第一生产力的观点的理解。本目小字叙述电能开发的重大意义，其目的也在于使学生加深对科技与生产关系的理解。四、化学的进步1、近代化学的创始人波义耳。把英国科学家波义耳称为近代化学的奠基人，主要有三个理由：第一，他于1661年出版了怀疑的化学家一书，最先认识到化学值得作为一门独立的科学进行研究，而不应仅仅从属于医学和炼金术，并指出化学必须依靠实验来研究和确定自己的基本定律。第二，他把严密的实验方法引入化学，最先使用了石蕊试纸，在实验中使用了天平。第三，他给元素下了一个清楚的定义。2、拉瓦锡推翻燃素说。17世纪末，普鲁士国王的御医斯塔尔提出“燃素说”，认为物质燃烧时放出由火的微粒构成的元素(即燃素)。这种对燃烧的错误解释统治化学界近百年。法国化学家拉瓦锡进行了大量的燃烧实验，于1777年提出了燃烧作用的氧化学说，推翻了燃素说，并第一次提出氧气(由希腊文“酸”和“生育”两字而来)这个名称。他在燃烧概论中提出，“燃烧时放出光和热”，“物质在空气里燃烧时吸收了空气中的氧”，从而揭开了燃烧之谜。拉瓦锡还精确地测定了氧化汞的合成与分解，发现把45份重的氧化汞加热完全分解后，恰恰得到了415份重的汞和35份重的氧，从而证明了化学反应中的质量守恒定律。他的理论使化学的发展步入正轨，使化学得到突破性的发展。3、道尔顿提出科学的原子论。1803年，英国乡村教师出身的化学家道尔顿提出了在实验基础上的原子论。他认为物质是由不可分割的原子构成的，原子在化学反应中的性质不变；每一种原子都有确定的原子量(道尔顿把最轻的氢原子的质量规定为1，并以此为标准来测定其他原子的相对质量，这种相对质量即元素的原子量)，每一种元素以其原子量为最基本的特征。后来，他还计算出许多元素的原子量。道尔顿的原子论，把古希腊哲学家的思想变成了科学的理论，开创了人类在物质认识方面的新纪元。道尔顿原子论的局限性之一是忽略了原子与分子的区别。1811年意大利科学家阿伏加罗德提出了分子的概念，并阐明了分子与原子概念的区别和联系。至此，物质的分子原子结构学说确立了，化学才取得了飞速的发展。4、门捷列夫发现化学周期律。俄国化学家门捷列夫的主要成就是发现化学周期律，揭示了各种元素的性质和原子量之间的周期关系。1869年他编制了第一张元素周期表，1871年又在此基础上制作了第二张周期表，并给出了周期律的定义：元素(以及由元素所形成的单质和化合物)的性质周期性地随着它们的原子量而改变。在制定周期表的过程中，他大胆地修订了一些元素的原子量数值，还预言了当时还没有发现的一些元素的化学性质，后来的发现证明了他预言的正确。周期律的建立改变了化学研究只限于对无数个别的、零散的事实作无规律的罗列的状况，是无机化学的系统化和大综合，对人工制取元素等科研工作和工农业生产的发展起了促进作用，并推进了核子物理学的建立。五、生物学的巨大进步1、哈维建立血液循环学说。英国医生哈维是实验生理学的创始人之一，其最主要的成就是建立了血液循环学说。从1616年他就开始研究人体和动物的血液循环。他以大量的实验证实了人体和动物体内的血液循环现象，阐明了心脏肌肉收缩是血液流动的动力，血液经心脏推动，从动脉流向全身各部，再沿静脉返回心脏，如此循环流动不息。他还测定过心脏每搏的输出量，并指出心脏的左侧和右侧是互不相通的。哈维的血液循环学说，对破除中世纪的神学迷信、解放思想起了巨大作用。在此基础上，关于消化吸收、营养、生理化学等新陈代谢功能的研究开展起来，生理学从此确立为一门科学。2、林耐制定植物分类法。瑞典博物学家林耐自幼热爱植物，后赴荷兰学医，经营植物园。他创立了拉丁文“双名制”命名法，大大推进了植物分类的研究。他把植物分做纲、目、属、种，根据植物的花来分类，并把已知的植物分为“林氏24纲”。在1753年他出版的植物种志中，对5 938种植物进行了分类和命名。林耐应用人为分类法和双名命名法，使杂乱无章的关于植物方面的知识形成了完整的系统。至19世纪，他的人为分类法才被自然分类法所代替。3、细胞学说的创立。细胞学说是德意志生物学家施莱登和施旺于18381839年建立的。该学说认为一切动物和植物都是由细胞组成，细胞是生命的基本单位，一切有机体都是由单一细胞发展而成的。这就揭示了所有生命现象之间的本质的统一性。恩格斯对细胞学说给予高度评价，把它列为19世纪自然科学的三大发现之一。4、达尔文创立生物进化论。英国博物学家达尔文1831年起乘英国海军勘探船“贝格尔号”，做了历时5年的环球科学考察，在动植物和地质方面进行了大量的考察和采集。他总结了前人在分类学、比较解剖学、地质古生物学和进化思想方面的成就，再加上自己亲身考察以及对大量动植物变异作的系统研究，形成了生物进化的理论。1859年出版了物种起源一书，系统地阐述了生物界千万种的动植物(包括人类)，都是由简单到复杂、由低级到高级进化而来的，创立了以自然选择、适者生存为基础的生物进化学说。它从根本上推翻了长期统治生物学研究的“神创论”思想，极大地震动了学术界，物种起源一出版，当天就被抢购一空。从此，达尔文的名字举世传扬。恩格斯对达尔文进化论给予很高的评价，认为它也是19世纪自然科学三大发现之一。一些权威的自然科学史认为，19世纪自然科学的最大成就就是进化论和电磁学的建立。达尔文的物种起源一书系统地阐述了生物是由简单到复杂、由低级到高级进化而来的，创立了以自然选择、适者生存为基础的生物进化论学说。这一学说是对生物学理论的伟大综合，它从根本上推翻了长期统治生物界的“神创论”，成为19世纪自然科学的三大发现之一，为马克思主义提供了自然科学的理论依据。5、巴斯德奠定微生物学的基础。巴斯德是法国生物学家、化学家。1854年他在法国葡萄酒产地里尔，任里尔大学理科系主任。应酒厂老板的邀请，研究葡萄酒变质的原因，发现是由一种微生物(醋酸菌)引起的，于是建议采用缓慢加热杀死微生物的办法(后被称为巴斯德消毒法)来解决。这种消毒法很快应用于啤酒、葡萄酒、牛奶的生产以及医疗外科。60年代，他在研究蚕病、鸡霍乱、炭疽病和狂犬病中，证实了传染病是由病源微生物(病菌)引起的，并找到了用接种疫苗的方法来预防疫病。巴斯德对细菌学、免疫学的研究，奠定了微生物学的基础。六、物理学的新时代1、伦琴发现放射现象。德国物理学家伦琴的最大成就是发现并深入研究了X射线(后人为纪念他，也称伦琴射线)。1895年底，为研究阴极射线，他在用黑纸密封的克鲁克斯管做放电实验时，发现克管附近的一个涂有铂氰化钡的荧光屏发出闪烁的微光。他一连几个星期在实验室里工作，做了许多实验以确定这种“放射作用”的各种性质，随后写出论文一种新的射线，并将这种新射线命名为“X射线”。伦琴的这一发现，成为人类探索原子内部的微观世界的重要开始。X射线的应用也很广，如在科研中用于晶体结构的研究。在工业上用于金属探伤、在医学上用于透视等。因发现X射线，伦琴获得1901年诺贝尔物理学奖，成为第一位获得诺贝尔奖的物理学家。2、居里夫妇发现放射性元素镭。法国物理学家皮埃尔居里及其夫人玛丽居里，在法国物理学家贝克勒尔发现放射性物质铀(1896年)以后，对放射性现象进行了深入的研究。1898年7月，他们从铀沥青矿中含铋的部分发现了一种新的放射性元素，命名为“钋”(以纪念居里夫人的祖国波兰)；同年12月又在含钡的部分发现了另一种新的放射性元素“镭”，其放射性强度要比纯铀强900倍。以后，他们又在极其恶劣和简陋的条件下，不顾个人健康，艰苦工作了整整4年，终于在1902年从数吨铀沥青矿渣中提炼出微量的氯化镭，并初步测定出镭的原子量是225。居里夫妇由于发现放射性元素钋与镭等重要成就，而与发现放射性铀的贝克勒尔共同获得1903年的诺贝尔物理学奖。3、爱因斯坦提出相对论。德国出生的犹太血统美国物理学家爱因斯坦，是20世纪最伟大的科学家。19世纪末，由于电磁学方面一系列的新发现、新实验同经典物理学理论发生了矛盾，物理学出现了危机。当时老一辈物理学家都企图用修补漏洞的办法来维护经典理论的框架。科学界中一个默默无闻的小人物爱因斯坦，敏锐地意识到只有对物理理论的基础进行根本性的变革，才能解决这一危机。1905年，年仅26岁的爱因斯坦发表论动体的电动力学，创立了狭义相对论。其要点是：第一，否定了牛顿的绝对空间和绝对时间观念，指出时间、空间与物质运动不是各自孤立存在的，时间和空间是随着物质的运动而变化的，物质的质量也是随运动速度的变化而变化的。这样，该理论就揭示了空间、时间、物质、运动之间的本质上的统一性，把牛顿的力学理论作为一种特殊情况(当运动速度远比光速低的时候)概括在内，从而建立了一个既适用于宏观、低速，又适用于微观、高速的运动理论。第二，根据狭义相对论的原理，认为质量和能量之间有密切的关系，并推导出著名的质能关系式E=mc2，即物体的能量等于质量与光速(每秒钟30万千米)平方的乘积。这一质能转化原理揭示了原子内部所蕴藏的巨大能量的秘密，为原子能的利用奠定了理论基础。1915年爱因斯坦又创立了广义相对论(1916年完成了总结性论文广义相对论基础)，进一步揭示了时空结构(四维空时)同物质分布的关系，指出了物质间所存在的万有引力，是由于物质的存在和分布使时间和空间的性质不均匀(即时空弯曲)而引起的。相对论的提出是物理学思想的一场重大革命，相对论既是原子内部的微观物理学的基础，也是天体物理学和宇宙学的基础。相对论的提出，使爱因斯坦成为继牛顿之后世界上最伟大的理论物理学家。爱因斯坦的相对论提出以后，牛顿力学是否失去了光辉爱因斯坦的相对论和牛顿力学体系的关系。牛顿力学体系概括了物体机械运动的基本定律，这些定律有一个前提，即物体运动是在低速情况下，这些定律才适用。爱因斯坦的相对论否定了牛顿的绝对时空观，指出时间和空间不是绝对不变的，它们随着物质的运动而变化，物质质量随运动速度的增大而增加。爱因斯坦还提出质能转化原理，加深了人们对物质和运动的认识。相对论出现以后，牛顿力学并投有失去光辉，因为：(1)牛顿在人类科学史上作出了杰出贡献，他的力学体系一直被称作近代科学形成的标志。(2)爱因斯坦只是否定了牛顿的绝对时空论，从本质上修正了由狭隘经验建立的时空论，同时也发展了牛顿力学，牛顿力学只是相对论力学在低速运动状态时的一个特例。而牛顿创造的概念至今仍指导着我们的物理学思想。牛顿提出的关于运动的三个定律，仍是整个力学的基础。19世纪自然科学的三大发现：细胞学说、进化论、能量守恒定律分析：近代自然科学发展的原因、作用、认识 原因：资本主义创造的物质文明奠定了近代自然科学的物质基础经济上的需要是近代自然科学发展的主要动力面对现实，重视实践和理性的风气推动了自然科学的发展作用：科学反作用于生产，指导技术改革，开发自然资源，创造了大量的物质财富启示认识：近代自然科学的发明都历经了长期的、曲折的复杂过程，是一代又一代勇于献身的科学家不断奋斗、不懈努力的结晶。近代自然