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科学技术史 1 第一章绪论 一 科学技术史 是研究人类认识与改造自然取得成果的发展历史的科学 是探求科学技术发展的内在规律的科学 1 科学技术史首先是一门历史性的科学 必须坚持一个时间的前后继起性 科学技术史要探索的史科学技术发展的内在规律的科学 所以可以起到指导和预示的作用 科学技术的发展总是由人来推动的 从事科学技术的研究开发与运用的科学家和技术家都具有丰富的科学知识 并且具有高尚 严谨的科学探索精神以及人格 为我们树立了一个很好的精神榜样 2 二 如何学习科学技术史 学习科学技术史要坚持以辩证唯物主义为指导 坚持以自然科学为基础 要坚持反对贬低科学技术的不良倾向即工具论 也要反对科学技术万能论 同时要善于思考 善于总结 3 三 学习科学技术史的意义 是提高当代大学生综合素质的要求 也是科学技术成为第一生产力发展的需要 4 第二章古代科学技术 一 人类的起源及科学技术的萌芽在科学技术史上 一般把世界上资本主义产生 16世纪 以前称之为古代 包括原始社会 奴隶社会和封建社会 原始人类大约是300万年前由古猿进化而来的 19世纪英国达尔文和德国海克尔认为 人猿同祖 5 马克思主义创始人充分肯定这种观点的基础上指出劳动是猿到人的转变过程中的关键因素 手脚分工 直立行走 上肢发展到制造工具 科学技术的萌芽 6 2 火的利用和人工取火方法的发明 天火 保留火种 取火利用了一些简单的物理和化学原理 熟食 提高人们的健康水平 为科技的发展提供了基础 照明 抵御寒冷 去湿 文明的开始 科学技术萌芽时期的科学技术成果 1 石器与弓箭 石器分为旧石器时代和新石器时代石斧 斧头 把柄弓箭大约出现在14000年以前 运用了简单的力学原理 迈出了具有决定意义的一步 7 农业和畜牧业的出现 生命科学 农业和畜牧业的出现则标志着原始人结束了依赖于天然食物而生存的历史 表明人类可以在自然界中创造自己所需的生活必需品 A 农业出现在约一万年前 在西亚即今天的土耳其境内 我国则在浙江的余姚 特点 采用刀耕火种 利用了简单的化学原理 知道了土地的增肥方法 及制造工具趋于成熟 开始出现了水利 8 B 畜牧业的出现 约一万年前 狩猎 饲养农业和畜牧业的产生表明了古人懂得了动植物的生长规律 同时也知道了一些天文 气象和土壤等方面的知识 这些知识就是人类对自然的最初认识 也可以说是自然科学的萌芽 4 制陶技术和手工业的出现大约在8000 9000年前 制陶器的温度达到了1000度 厚度达1 2MM 蛋壳陶 手工业的出现 标志着第二次社会大分工 9 5 冶金技术的出现与原始社会的解体 二 两河流域 古埃及和印度的科学技术大约在公元前3000年 两河流域 古埃及和印度都相继进入奴隶社会 主要的科学技术成就是在农业 天文 数学 医学 建筑等方面 诞生于公元前8 7世纪 在黑海岸边 保加利亚 孔雀石 木炭 铜冶金技术的出现标志着新石器时代的结束 金属时代的兴起 意味着原始社会解体 10 1 农业生产及农业技术 1 水利工程 两河流域的阿卡德王朝 汉莫拉比法 以法律的形式保护水利设施 并设立了管理水利的官职 2 畜耕的发明与运用用牛 驴来耕地 有铜犁头 3 农作物丰富 11 2 天文学 随着农业生产的发展 人们逐渐意识到掌握季节的重要 而季节变化与天文现象是紧密相关的 于是便开始了有意识地观察天文现象 最初的天文学就这样诞生了 两河流域 月盈亏 月 为29 5 30或29天一年12个月 354天 一周7天 一天12小时 每小时60分 每分60秒 古埃及 一年 12月 1月 30日 加5日 1年 365日印度 1年 360日 1年又分为12个月天文观测 两河流域 区分了行星和恒星 并取得了行星运行的精确数据 土星379 06日 木星398 96日 误差仅为1 古埃及还绘制了星图 12 3 数学 产生于生产 交换和天文计算的需要 数学是比较早产生的 1 采用了十进制和十六进制 乘法 倒数 平方 平方根 立方 立方根等倒数一直计算到6019代数方面 能解一元一次方程 多元一次方程 一元二次方程 特殊的一元三次方程和四次方程几何方面 知道了半圆的圆周角 正方形的对角线为边长的 2倍 还计算了直角三角形 等腰三角形和梯形面积的正确公式 把圆周率定为3或3 15 圆周角为360度 1度等于60 1 60 13 2 古埃及 留下来的较少十进制 一元一次方程 求三角形和梯形面积的方法以及求正方锥体体积的公式 圆周率为3 1605 3 印度 准绳经 讲述祭坛修建的书 勾股定理 圆周率为3 09 圣使集 算术运算 乘方 开方以及一些代数 几何学和三角学的规则 14 4 医学 1 汉莫拉比法 最早的医疗立法规定了报酬 处罚治疗方法 药物和按摩发现的植物药达到150余种 胃病 中风眼病等 2 古埃及草纸书六七部 涉及内科 妇科 眼科 解剖 生理病理等 药方877个 重大成就就是木乃伊 15 16 17 18 3 印度 主要就是两本医学著作5 建筑技术建筑技术是一种综合性技术 是一定社会总体技术水平的体现 1 神庙 公元前7世纪的巴比仑城达到了顶峰 19 据史书记载 尼布甲尼撒二世扩建的新巴比伦城呈正方形 每边长约20公里 外面有护城河和高大的城墙 主墙每隔44米有一座塔楼 全城有300多座塔楼 100个青铜大门 城内有石板铺筑的宽阔通衢 还有90多米高的马都克神庙 兼有幼发拉底河穿过城区 上有石墩架设的桥梁 两边有道路和码头 其恢弘壮阔可见一斑 国王的宫殿奢华至极 宫墙都用彩色瓷砖和精美的狮像装饰 宫中还以 空中花园 装点 古称 悬苑 这座方正的 空中花园 周长500多米 建在23米高的人造山上 园中遍植珍奇花木 宛如人间仙境 当时 新巴比伦王宫的 空中花园 被列为世界七大奇迹 20 2 古埃及 21 3 印度烧砖的发明是建筑技术史上的一件大事砖木结构的房子产生 22 6 手工业及其技术 两河流域 冶金 纺织 玻璃制造技术已经产生 公元前19世纪中期 产生了青铜器 并用来制造生产工具和武器 23 三 古希腊 罗马时代的科学技术1 特点 1 直观性 2 没有严密的逻辑论证 3 有很大的猜想性 4 没有具体的分科 2 古希罗马时代的科学成就 1 爱奥尼亚时期的自然哲学 自然科学与哲学融为一体 公元前6 3世纪 米利都学派 泰勒斯 科学之父 水是万物的本原 在天文学上 预测了公元前585年5月28日将出现日全食 并被证实 24 在数学上 发展了初等几何 直径平分圆周 两线相交对顶角相等 半圆内接三角形为直角三角形 等腰三角形的两底角相等 相似三角形的对应边成比例 若两三角形的两底角一边对应相等则两三角形全等 利用了影子与实物的比例关系测量了金字塔的高度阿那克西曼德 万物的本原是无限 地在空中 没有什么东西支撑 月亮并不是发光的 是反射太阳光 太阳和大地是一样的 一团绝对纯粹的火 25 阿那克西米亚 世界的本原是气 赫拉克利特 世界的本原是火 毕达哥拉斯学派毕达哥拉斯认为数是世界的本原在数学上 毕达哥拉斯定理 区分了奇数 偶数和质数 在天文学上 用数学观点建构了宇宙和谐论 他认为 圆球形是最完美的 因此 宇宙必定是圆的 地球是中心 也是圆的 天体运动是和谐的 匀速做圆周运动 26 菲洛劳斯 中心火团说 宇宙的中心是火团 一切天体都围绕中心火团做匀速圆周运动 德谟克利特学派 原子是世界的本原万物的本原是原子与虚空 原子的特性 最小 不可分 不可改变 数目无限 原子具有必然运动性 无限的宇宙中包含着无限的原子与虚空 27 2 雅典时期 自然哲学向经验自然科学转变 公元前480 330年 亚里斯多德吕克昂学院 逍遥派 在天文学上 地球是球形的 静止不动的且是宇宙的中心 地球上的气候不同是由于太阳照射到地球的角度不同 地球的物质是水 气 土 火四种元素 在生物学上被成为 动物学之父 对540种动物进行了分类 对50多种进行了解剖 研究了小鸡的胚胎发育过程 生物体也是由水 气 土 火四种元素组成的复杂的有机体 生命的本质是生命力 生活环境是生物体的作用 在物理学上 物体上升 下降运动的原因在于自然运动和非自然运动 自由落体运动 28 3 亚历山大时期 繁荣 公元前3世纪 公元2世纪 第一 欧几里德 几何学 13卷A 壮观的体系结构 全书共有467个命题 B 严谨的逻辑结构 C 坚实的实践基础 D 科学的方法 演绎法 29 阿波罗尼的 圆锥曲线论 共轭径 渐近线 焦点等做了详细的论述 三种圆锥曲线的不同性质 用 齐曲线 亏曲线 超曲线 分别给抛物线 椭圆和双曲线进行了命名 第一次发现了双曲线有两支的人 圆锥曲线论 的篇幅很大 第1 7卷就有387个独立命题 完全用文字来表达 没有使用符号和公式 命题的叙述相当冗长 言辞有时是含混的 这在希腊的著作中 是较难读的一种 30 阿基米德力学 阿基米德 archimedes 约公元前287 212 是古希腊物理学家 数学家 静力学和流体静力学的奠基人 力学方面 阿基米德在力学方面的成绩最为突出 他系统并严格的证明了杠杆定律 为静力学奠定了基础 他在研究机械的过程中 发现了杠杆定律 并利用这一原理设计制造了许多机械 他在研究浮体的过程中发现了浮力定律 也就是有名的阿基米德定律 31 几何学方面 阿基米德确定了抛物线弓形 螺线 圆形的面积以及椭球体 抛物面体等各种复杂几何体的表面积和体积的计算方法 在推演这些公式的过程中 他创立了 穷竭法 即我们今天所说的逐步近似求极限的方法 因而被公认为微积分计算的鼻祖 32 天文学方面 阿基米德在天文学方面也有出色的成就 除了前面提到的星球仪 他还认为地球是圆球状的 并围绕着太阳旋转 这一观点比哥白尼的 日心地动说 要早一千八百年 限于当时的条件 他并没有就这个问题做深入系统的研究 但早在公元前三世纪就提出这样的见解 是很了不起的 33 喜帕卡斯和托勒密的天文学 发展的原因 航海和贸易的需要 工艺技术的进步为天文观测提供了新手段 数学的发展为天文学理论提供了保证 喜帕卡斯 后人尊为 天文学之父 发明观象仪 发现地球运转 受到日月行星引力的影响伊拉托西尼斯 EratosthenesB C278 B C195 已计算出地球圆周的长度 亚里斯塔克 AristarchusB C310 B C230 吸收巴比伦天文知识 提出太阳为宇宙中心的说法 但不为时人接受 34 托勒密 古希腊地理学家 天文学家 数学家 曾译托勒玫 多禄某 长期进行天文观测 一生著述甚多 其中 天文学大成 又称 大综合论 13卷 主要论述了他所创立的地心说 认为地球是宇宙的中心 且静止不动 日 月 行星和恒星均围绕地球运动 他是世界上第一个系统研究日月星辰的构成和运动方式并作出成就的科学家 此书被尊为天文学的标准著作 直到16世纪哥白尼的日心说发表 地心说才被推翻 35 盖仑医学 盖仑 129 199 古罗马医师 自然科学家和哲学家 继希波克拉底之后的古代医学理论家 创立了医学知识和生物学知识的体系 他的学说在约二到十六世纪时期被奉为信条 对西方医学的影响很大 他发展了机体的解剖结构和器官生理学的概念 认为研究和治疗疾病应以解剖学和生理学知识为基础 他虽没有解剖过人的尸体 但在研究解剖学时采用了各种动物 包括猴子 36 A 十分注重直接观察 反对从书本上学习知识 B 神经生理学C 药物学 他的成就为西方医学中解剖学 生理学和诊断学的发展奠定了初步基础 但他又认为身体的构造和一切生理过程都有一定的目的性 并把机体内所进行的各种过程在无法解释时均归结为非物质力量的作用 在哲学方面他是亚里士多德的信徒 37 4 罗马时期的自然科学 停滞不前 公元前2世纪 公元5世纪 原因 A 罗马帝国依靠农业和军事维持统治 没有繁荣的商品市场来刺激科学发展 B 罗马人从希腊人那里吸取了许多现成而直接可用的科学成果 C 基督教的产生 极大地阻碍了科学的发展 儒略历法和普林尼的 博物志 38 3 古希腊 罗马时代的技术成就 1 古希腊的手工业和造船业 冶金技术 蒸汽机原理和造船业 2 古希腊 罗马的建筑业 古希腊的建筑和罗马建筑 39 讨论 为什么我国古代科学技术一直走在世界的前列 四 古代中国的科学技术 40 中国古代科学技术一直处于世界的领先地位 可以说 中国是古代科学技术发展的世界中心 1 我国是统一的多民族国家 地域辽阔 交往比较频繁 语言得到了统一 有助于科学技术的发展 2 我国比较稳定 没有比较大的战乱 3 我国没有像欧洲那样的中世纪 黑暗长夜 4 中国传统文化的推动 尤其是乐感思想的推动 5 还有其他政治经济文化上的原因 41 1 古代中国的科学成就 1 农学 自古以来 我国就以农立国著称 在两千多年前的农业生产中积累起来的农业知识 被整理并系统化为农学著作 这些农学著作突出了天时 地利 人力三者对农业生产的决定作用 对有利于农作物生长的时令 土壤 施肥 锄耕等都有十分细致的研究 像最早的农学著作 吕氏春秋 成书于公元前239年 两汉时期的 范胜之书 北魏贾思勰的 齐民要术 南宋初年陈敷的 农书 元代的 王祯农书 等涉及农业生产的不同地区 不同季节和不同方面 42 范胜之书 我国黄河中下游 尤其是汉中平原的农业生产 齐民要术 分别论述了蔬菜 果树 竹木等农作物栽培 家禽家畜等的饲养和疾病防治 农副产品加工酿造等知识 是对当时农 林 牧 副 渔五个方面生产经验的系统总结 尤其是育种 树木的嫁接等 是古代的百科全书 陈敷的 农书 最早总结水田耕作经验的著作 王祯农书 北方旱田 南方水田 43 明代的科学家徐光启的 农政全书 汇集了我国古代农学各方面的经验知识 是我国古代农业科学的一部百科全书 共60卷 50多万字 它不仅吸取了历代著名农书的精华 而且更加侧重农政方面 它把保证农业生产的农业政策 如田地制度 开垦荒地 兴修水利 灭除蝗虫 赈济灾患放在突出地位 农政全书 44 2 医药学 我国独特的医药学体系形成于春秋时期 到战国时期 黄帝内经 比 盖仑医学 早400 500年 专著的完成奠定了基础 该书以阴阳学说 脏腑学说和经络学说组成的医学理论逐步显示了中医的特色 诊断法 望 闻 问 切 东汉末年张仲景 伤寒杂病论 是我国医学的另一部奠基性著作 提出了 辩证施治 的基本原则 把阴阳学说 脏腑学说和经络学说同诊断的 六经 八纲 结合起来 总结出了一套行之有效的治疗方法 45 在中药学方面的代表就是明末的李时珍 本草纲目 本草纲目 插图 全书共52卷 是我国中药学的集大成 在世界影响也非常深远 早在万历年间就传到了日本 朝鲜和越南 17世纪 18世纪又传到欧洲相继被翻译成德文 法文 拉丁文 英语和俄语 推动了世界医药学和生物学的发展 46 3 数学 我国最早的数学著作是公元前1世纪即战国时期的 周髀算经 已经有勾股定理和分数运算汉代时期的 九章算术 标志我国数学体系的初步形成 主要运用代数方法解决大量的实际问题 并且流传非常广泛 朝鲜 日本三国时期的刘徽用创立精确的割圆术求得 3 1416 南北朝时期的著名数学家祖冲之精确到了小数点后7位 这个记录一千多年以后才打破 秦九昭 数书九章 李冶 测圆海境 杨辉 详解九章算法 朱世兰 算法启蒙 等等 代表了当时我国的数学水平 也是世界上最高的数学水平 47 4 天文学 第一 天文观测记录 第二 星图 星表的绘制 第三 历法 第四 天文观测 第五 关于宇宙的认识 48 5 地学 第一 地理 地质专著 第二 地图绘制 6 物理学 第一 力学方面的知识 第二 声学方面的知识 第三 磁方面的知识 49 2 古代中国的技术成就 1 冶金与采矿 夔纹簋 西周早期 50 2 制瓷技术 51 南海一号 打捞的各种宋代瓷器 52 2 古代中国的技术成就 3 造船 纺织 商代铜戈上的丝织痕迹 宋代缂丝 莲塘乳鸭图 唐周昉 簪花仕女图 53 2 古代中国的技术成就 4 火药 火器 5 造纸与印刷技术 毕升 1051 中国古代发明家 北宋布衣 淮南路蕲州蕲水县直河乡 今湖北省英山县草盘地镇五桂墩村 人 初为印刷铺工人 专事手工印刷 他在印刷实践中 深知雕版印刷的艰难 认真总结前人的经验 在唐代发明雕版印刷术的基础上 宋仁宗庆历年间 1041 1048年 平民毕升创造了活字印刷术 这是中国对于世界文明的发展所作出的又一伟大贡献 54 55 6 建筑技术 56 57 都江堰水利工程 是全世界至今为止年代最久 唯一留存 以无坝引水为特征的宏大水利工程 2200多年来 至今仍发挥巨大效益 7 水利技术 58 第三章近代科学技术 一 近代前期的自然科学技术1 资本主义生产方式的形成 1 十字军东征 2 工场手工业的发展和航海探险 3 文艺复兴 思想解放运动 4 宗教改革 59 2 科学革命的突破 天文学革命 哥白尼的太阳中心学 哥白尼 1473 1543 文艺复兴时期波兰著名的天文学家 太阳中心说的创始人 近代天文学的奠基人 哥白尼创立的日心说 即天文学名著 天体运行论 的发表 不但是天文学上的一次伟大革命 推动了天文学研究的飞速发展 而且引起了人类宇宙观的重大革新 沉重地打击了封建神权的统治 从此自然科学便开始从神学中解放出来 60 波兰天文学家哥白尼通过天文观察和数学计算创立了 日心说 认为太阳位于宇宙的中心 地球和其他星球都围绕太阳运转 哥白尼的 日心说 示意图 61 地球不是宇宙的中心 而是一颗普通的行星 太阳才是宇宙的中心 行星运动的一年周期是地球每年围绕太阳公转一周的反映 1912年哥白尼迁到波兰的一个古代城堡 弗隆堡 在城堡的西北角 有一座箭楼 这座箭楼 就是举世闻名的天文学家哥白尼观察天文的天文台 天文学史上著名的 哥白尼塔 无论盛夏或严冬 他用自制的 粗劣的仪器 不分昼夜地观察天文 完成了对天体的观测 写成了不朽的巨著 天体运行论 62 水星 金星 火星 木星 土星和地球一样 都在圆形轨道上匀速绕太阳公转 月球是地球的卫星 它在以地球为中心的圆轨道上 每月绕地球转一圈 同时跟地球一起绕地球公转 地球每天自转一周 天穹实际上并不转动 因为地球的自转 才出现日月星辰每天东升西落的现象 恒星和太阳间的距离其实十分的遥远 比日地间的距离大得多 63 布鲁诺捍卫了日心说 伽利略对其进行了发展 并采用了天文望远镜 64 伽利略 1564 1642 伟大的意大利物理学家和天文学家 他开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系和数学表述形式的近代科学 被誉为 近代科学之父 他第一个把望远镜对准天空进行观测 出版了 星空使者 一书 1632年 他出版了 关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话 把哥白尼的学说推到了最终胜利的阶段 伽利略 65 伽利略的手稿 伽利略的折射式望远镜 1609年 伽利略创制了天文望远镜 他观测到月球表面凹凸不平 并绘制了第一幅月面图 66 1590年 伽利略在比萨斜塔上做了 两个铁球同时落地 的著名实验 从此推翻了亚里士多德 物体落地下的速度和重量成比例 的学说 纠正了这个持续了1900年之久的错误结论 伽利略所做的两个铁球同时落地实验 67 伽利略因支持哥白尼的日心说而接受教廷审讯 1633年 罗马召令伽里略到罗马受审 强迫他签字 悔过 并放弃哥白尼学说 伽利略受审近300年后 即1928年 罗马教皇才在公开集会上承认对伽利略的审判是错误的 68 伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法 是人类思想史上最伟大的成就之一 而且标志着物理学的真正开端 这个发现告诉我们 根据直接观察所得出的直觉的结论 不是常常可靠的 因为它们有时会引到错误的线索上去 人的思维创造出一直在改变的一个宇宙图景 伽利略对科学的贡献就在于毁灭直觉的观点而用新的观点来代替它 这就是伽利略的发现的重大意义 爱因斯坦 物理学的进化 69 安德烈 维萨里是著名的医生和解剖学家 近代人体解剖学的创始人 维萨里与哥白尼齐名 是科学革命的两大代表人物之一 维萨里的主要贡献是 人体的构造 一书 该书总结了当时解剖学的成就 1543年 年仅28岁的维萨里终于完成了按骨骼 肌腱 神经等几大系统描述的巨著 人体的构造 他在书中写道 解剖学应该研究活的 而不是死的结构 人体的所有器官 骨骼 肌肉 血管和神经都是密切相互联系的 每一部分都是有活力的组织单位 可以说 人体的构造 一书是科学的解剖学建立的重要标志 医学生理学革命 达芬奇 维萨里 人体的结构 70 维萨留斯 人体结构 中的插图 塞尔维特发现小血液循环即心肺循环哈维确立血液循环理论 71 3 经典力学的奠基 1 开普勒为 天空立法 行星运动三大定律第一定律 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位置上 即轨道定律 72 第二定律 行星绕日运动的距离和运动速度的不均匀变化是有规律的 行星和太阳连线扫过的面积与时间成正比 即面积定律 73 第三定律 行星公转周期的平方等于轨道半长轴的立方 即周期定律 74 2 伽利略对地面物体的研究 斜面实验 A 在斜面AB上小球作加速运动 在斜面倾角一定时 不论小球重量如何 加速度值都是一样 在斜面上滚动的小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 B 在小球到B点并沿BC平面滑动时 在运动方向上小球并受力 但是它仍然按其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 这个说法也就惯性定律 75 C 如果小球运动至平面的一端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 于是物体呈现出抛物体运动状态 伽利略的研究成果为后来牛顿的进一步综合奠定了基础 伽利略自制的望远镜 76 牛顿 牛顿 1642 1727 英国物理学家 天文学家和数学家 出生于英国的林肯郡 1661年进入剑桥大学学习 1665年发现了二项式定理 牛顿的三大发现 即光的光谱分解 万有引力定律和微积学 奠定了经典物理学及某些学科的理论基础 导致了世界史上的一次科学革命 牛顿还在代数和数论 计算方法 概率论等方面有创造性的成就和贡献 77 1687年 牛顿出版了力学经典著作 自然哲学的数学原理 建立起了完整的力学理论体系 实现了物理学史上的第一次大飞跃 78 公元1668年 牛顿制成了第一架反射望远镜样机 公元1671年 牛顿把经过改进的反射望远镜献给了皇家学会 从此名声大震 后被选为皇家学会会员 反射望远镜的发明 奠定了现代大型光学天文望远镜的基础 著名物理学家牛顿发明了第一架反射望远镜 79 4 近代科学的第一次大综合 牛顿的经典力学体系 1 牛顿三大力学定律 第一定律 任何物体都保持静止或匀速直线运动状态 直到其他任何物体所作用的力迫使它改变这种状态为止 第二定律 物体受到外力时 物体所获得的加速度的大小与合外力的大小成正比 而与物体的质量成反比 加速度的方向与合外力的方向相同即F ma 第三定律 当物体A以力F作用于物体B上 物体B也必定同时以F 作用于物体A上 F和F 在一条直线上 大小相等而方向相反即F F 80 2 万有引力定律 F ma mRw2 G m1m2 R2 G 6 67x10 11m3 kg s2 1 根据牛顿第一定律 天体稳定运行 肯定是有一个向中心天体的力的作用的 这个中心天体应该是太阳 且运动的轨道是椭圆 2 根据牛顿第二定律F ma mRw2 其中R是行星中心到椭圆焦点的距离 W是行星的角速度 3 根据开普勒第三定律T2 KR3 则F ma mRw2 4丌2MR T2 G m1m2 R2 81 数学桥又称牛顿桥 是位于剑桥大学内的一座木桥 相传 这座桥是牛顿运用数学和力学原理设计建造的 整座桥上没有使用一根钉子 堪称是个奇迹 后来 好奇的学生把它拆下来 想看个究竟 谁知拆下容易 恢复难 无论他们用什么方法 就是恢复不了原样 连校方也无能为力 最后 不得不用钉子固定 才重新将木桥架起来 剑桥大学牛顿数学桥 82 5 其他学科的初步发展 数学 1 法国人笛卡儿创立了解析几何 2 英国人耐普尔发明了对数 3 牛顿和莱布尼茨创立了微积分 化学 1 英国化学家玻意耳首次将化学视为一个独立的学科 并将微积分学说引如化学研究中 2 对燃烧的正确认识 被称之为 化学革命 天文学 1 开普勒提出了光学定理 还研究了光的折射现象和透镜成象问题 2 荷兰数学家斯涅耳发现了光的反射和折射定理 83 6 近代科学方法 1 培根创立的实验归纳法 2 笛卡儿创立数学演绎法 3 伽利略的数学与实验相结合 4 牛顿论科学方法 5 形而上学的机械唯物主义的自然观 7 近代自然科学的特点 1 科学技术的理论化 综合化 2 科学研究的集体化 专业化 3 科学发展加速化 84 二 第一次科技革命1 背景2 纺织技术的发展 产业革命的源头 棉纺织业包括两个部门 纺纱和织布1733年钟表凯伊发明了飞梭 使织布效率提高了一倍 飞梭的普遍使用 长期出现了 纱荒 1765年 英国曾当过织布工人哈格里夫沃斯发明了 珍妮机 并于1770年申请了专利 哈格里夫斯的珍妮机纺纱 揭开了第一次工业革命的序幕 85 新问题 动力问题 1769年理发师阿克赖特发明了水力纺纱机 1785年水力织布机也问世 3 蒸汽机的发明和改进与蒸汽机技术革命 矿工之友 纽可门机 瓦特改良蒸汽机 86 萨弗里制成的世界上第一台实用的蒸汽提水机 在1698年取得标名为 矿工之友 的英国专利 他将一个蛋形容器先充满蒸汽 然后关闭进汽阀 在容器外喷淋冷水使容器内蒸汽冷凝而形成真空 打开进水阀 矿井底的水受大气压力作用经进水管吸入容器中 关闭进水阀 重开进汽阀 靠蒸汽压力将容器中的水经排水阀压出 待容器中的水被排空而充满蒸汽时 关闭进汽阀和排水阀 重新喷水使蒸汽冷凝 如此反复循环 用两个蛋形容器交替工作 可连续排水 87 纽科门及其助手卡利在1705年发明了大气式蒸汽机 用以驱动独立的提水泵 被称为纽科门大气式蒸汽机 这种蒸汽机先在英国 后来在欧洲大陆得到迅速推广 它的改型产品直到19世纪初还在制造 纽科门大气式蒸汽机的热效率很低 这主要是由于蒸汽进入汽缸时 在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉大量热量 只在煤价低廉的产煤区才得到推广 88 1705年 纽可门制造了第一台成功运作的蒸汽机 纽可门机的缺陷 热量浪费太大 效率不高 只有简单的往复式线性运动 第一台成功运作的蒸汽机 89 90 詹姆斯 瓦特 1736 1819 是英国著名的发明家 是工业革命时的重要人物 他改良了蒸汽机 发明了气压表 汽动锤 后人为了纪念他 将功率的单位称为瓦特 91 瓦特在大学修理仪器期间 学校曾经把一台旧式的纽可门蒸汽机交给他修理 他通过大量实验以及根据格拉斯哥大学教授布莱克提出的潜热 比热理论进行分析 对旧式蒸汽机进行深入究 找出了旧式机器效率低的主要原因 除了漏汽 散热等造成热量的浪费外 主要缺陷在于每一冲程都要用冷水将汽缸冷却一次 从而耗了大量热量 使绝大部分蒸汽没有被有效利用 92 针对这一缺陷 瓦特提出了减少蒸汽消耗 提高热机效率的两项措施 一 为了使汽缸始终保持蒸汽所必须具有的温度 必须在汽缸外加上绝热外套或通以蒸汽或用其他方法对汽缸加热 二 使作功后的蒸汽尽可能快地冷却 液化成水并要使这一过程在汽缸外进行 为此必须设置一个独立于汽缸的冷凝器 在机械传动方面也要改进 93 陈列在英国伦敦科学博物馆内的瓦特制成的世界上第一台蒸汽机 其许多主体部件都是用木头制造的 伦敦科学博物馆内的詹姆斯 瓦特的工作室展室 展室里不仅保存着当年瓦特所使用的家具和工具设备 门窗和地板也都是原物 工具桌上陈列着瓦特的三座半身塑像 94 坐落于英国苏格兰格拉斯哥市乔治广场的詹姆斯 瓦特铜像 1832年修建 矗立在伯明翰市中心 纪念詹姆斯 瓦特 右 等人的铜雕群像 95 4 机器制造技术的发展 5 钢铁冶炼技术的革新18世纪是技术革新的世纪 对行将到来的基础材料工业发展来说 最重要的发明是人们掌握了用硬煤炼焦并用于为炼铁输入能量 后来很快就发明了搅炼法 这种炼钢法可使用硬煤而不使其接触铁 96 6 交通运输技术的发展 火车和轮船的发展 1814年 英国人史蒂芬孙发明了第一台蒸汽机车 这台机车在前进时不断从烟囱里冒出火来 因此被称为 火车 火车的发明 使陆上交通工具得到突飞猛进的发展 97 从1770年起 苏格兰 法国和美国的发明者就在船上试验蒸汽机 第一艘成功的商用汽船是由美国人罗伯特富尔顿建造的 他曾前往英国学习绘画 但是 与詹姆斯 瓦特相识后 转而研究工程学 1807年 他使自己的 克莱蒙脱号 汽船在哈得孙河下水 98 这艘汽船在内河试航成功 揭开了水上交通运输工具的新篇章 航行时蒸汽机推动船两侧的明轮 所以这种船就被称为轮船 1807年 克莱蒙特 号蒸汽船 99 这艘船配备着一台驱动明轮的瓦特式蒸汽机 它溯哈得孙河面上 行驶150哩 抵达奥尔巴尼 其他发明者也以富尔顿为榜样 其中著名的有格拉斯哥的亨利 贝尔 他在克莱德河两岸为苏格兰的造船业打下了基础 早期的汽船仅用于江河和沿海的航行 但是 1833年 皇家威廉号 汽船从新斯科舍行驶到英国 5年后 天狼星号 和 大西方号 汽船分别以16天半和13天半的时间朝相反方向越过大西洋 行驶时间为最快的帆船所需时间的一半左右 100 8 第一次科技革命的特点 1 生产推动技术革新 2 科学走入应用领域 101 三 近代后期的科学成就1 天文学 1 天文观测的新发现 2 赫歇尔的恒星天文学 3 天体物理的兴起 4 天体起源和演化假说 康德 拉普拉斯星云假说和洛克耶的恒星演化理论 2 地质学 1 水成论和火成论之争 2 灾变论和渐变论之争 102 3 物理学 1 能量守恒与转化定律的发现 1842年 德国的青年医生迈尔 J R Mayer 1814 1878 迈尔写成了他的第一篇关于能量守恒和转化定律论文 论无机自然界的力 论文发往当时德国主要物理学年鉴杂志 结果被主编波根多夫拒绝发表而退了回来 虽化学家李比希主编的化学年鉴杂志1842年5月号上发表了迈尔的论文 但并未引起人们的注意 103 1840年 22岁的焦耳首先测定了电流的热效应 发现一定时间内电流通过导线所产生的热量 同导线的电阻和电流强度平方乘积成正比 这就是著名的焦耳定律 1843年 焦耳又做了一个实验 他把盛有水的容器放进磁场中 然后让一个线圈在水中旋转 测量运动线圈中感生电流产生的热和维持运动所消耗的能量 实验说明消耗的能和产生的热能与电流的平方成正比 因此 产生的热和用来产生的机械动力之间存在恒定的比例 焦耳把这一实验结果写在他的第二篇论文 论电磁的热量效应和热的机械值 104 亥姆霍兹 德国物理学家 生理学家 于1847年出版了 论力的守恒 一书 给出了对不同形式的能的数学表示式 并研究了它们之间相互转化的情况 从而这部著作成了能量守恒定律论证方面影响较大的一篇历史性文献 几乎与迈尔 焦耳和赫尔姆霍茨的发现同时 英国业余科学家 律师格罗夫从对电的研究 也达到了能量守恒和转化定律的发现 105 完整系统的表述是凯尔文 当一个系统的工作物质从某一给定的状态无论以何种方式过渡到另一给定状态时 该系统对外做功与传递热量的总和是守恒的 U A Q U 表示系统内能的变化 A 表示系统对外做的功 Q 表示这个过程中系统传递外界的热量 106 定律内容 能量既不会凭空产生 也不会凭空消失 它只能从一种形式转化为别的形式 或者从一个物体转移到别的物体 在转化或转移的过程中其总量不变 能量守恒定律 是自然界最普遍 最重要的基本定律之一 从物理 化学到地质 生物 大到宇宙天体 小到原子核内部 只要有能量转化 就一定服从能量守恒的规律 从日常生活到科学研究 工程技术 这一规律都发挥着重要的作用 人类对各种能量 如煤 石油等燃料以及水能 风能 核能等的利用 都是通过能量转化来实现的 能量守恒定律是人们认识自然和利用自然的有力武器 107 2 热力学第二定律和分子物理 1850年 德国物理学家克劳修斯在热力学第一定律的基础上 研究卡诺机提出 热不可能自发地 不付代价地从低温传到高温 不可能使热量由低温物体传递到高温物体 而不引起其他变化 这是按照热传导的方向来表述的 1851年凯尔文也提出了热力学第二定律 不可能从单一热源取热 把它全部变为功而不产生其他任何影响 这些表述都是等效的 108 分子物理 克劳修斯在1857年发表的 论热运动的形式 的文章中 提出理想气体分子的运动模型 对热力学做了动力学解释 麦克斯韦则用概率统计学方法研究了分子运动 波尔兹曼则发展了麦克斯韦的速度分析定律 提出了平衡态气体分子的能量均分定律 109 3 电磁理论电磁学于18世纪中叶创立 系统化于19世纪下半叶 经历了一个半世纪 电磁场理论的奠基者 法拉第 麦克斯韦 110 1 人们对电磁现象的早期认识 摩擦生电 吉尔伯特于1600年出版了 磁石 一书 对磁铁作了研究 但是他认为电与磁是两种古 孤立的现象 1650年 荷兰人发明了最早的蓄电容器 即莱顿电瓶 美国的富兰克林证实了天电与地电是同一的 意大利的伽伐尼发现了生物电 意大利生物学家伽伐尼 111 2 连续电源的获得 电的产生 1 接触说 伏打 每种金属都是电流体 张力不同 两种金属接触后 电流从张力高处向张力低处流动 形成电流 2 化学反应说 法拉第 1799年 产生了伏打电池 伏特和 伏打电池 112 3 静电力大小的测定 1767年 普列斯特利就指出 静电力的大小与电荷多少成正比 与距离平方成反比 库仑定律 113 4 电磁相互联系和转化的发现 1820年奥斯特实验中 发现小磁针会偏转 丹麦物理学家奥斯特 114 如何偏转 1823年安培发现了 右手法则 法国科学家安培 115 实际应用 法拉第 自学成才的典范 提出 电与磁是 互生 的 是统一 提出了 场 的概念 1821年9月3日 30岁的法拉第设计了一个实验 实现了以电转动磁 1822年 法拉第希望把磁转变成电 1831年 40岁的法拉第设计一种装置获得了恒定电流 把磁转变成电的伟大理想终于实现了 116 5 电磁理论的建立 麦克斯韦方程 他在法拉第研究的基础上 总结了19世纪中叶以前对电磁现象的研究成果 写出 电学和磁学论 一书 于1860年提出了电磁波理论 建立了电磁场理论的宏伟大厦 麦克韦斯方程式这一理论突破带来了后来电报 电话 电视 雷达的发明与发展以及全部现代化通讯手段 实现了电 磁 光的综合 开启了第二次科技革命 电力时代 117 4 化学 1 氧化燃烧理论取代燃素说 拉瓦易的氧化燃烧理论的创立 燃素说的困境 1774年 发现了氧 1789年拉瓦易出版了 化学纲要 近代化学的起点 一书 提出了氧化燃烧理论 118 2 原子 分子论的建立 A 道尔顿 近代化学之父 自学成材的典范 的原子论 1808年 出版了 化学哲学新体系 元素是由非常微小 不可再分的微粒 原子组成 原子在一切化学变化中不可再分 并保持自己的独特性质 同一元素所有原子的质量 性质都完全相同 不同元素的原子质量和性质也各不相同 原子质量是每一种元素的基本特征之一 不同元素化合时 原子以简单整数比结合 119 B 阿佛加德罗的分子假说 半个原子问题2H2 O2 2H2O法国化学家盖 吕萨克在研究各种气体在化学反应中体积变化的关系时发现 参加同一反应的各种气体 在同温同压下 其体积成简单的整数比 这就是著名的气体化合体积实验定律 常称为盖 吕萨克定律 意义 120 3 有机化学的兴起 4 化学元素周期律的发现 121 122 1 按照原子量大小排列起来的元素 在性质上呈现明显的周期性 2 化学性质相似的元素 或者是原子量相近 Pt Ir Os 或者是依次递增相同的数量 K Rb Cs 3 各元素及各族按原子量大小排列的对比与各元素的所谓的原子价相一致 4 分布在自然界的元素都具有数值不大的原子量值 具有这样的原子量值的一切元素都表现出特有的性质 因此可以称它们是典型的元素 123 5 原子量的大小决定元素的特征 6 应该预料到许多未知元素的发现 例如类似铝和硅的 原子量位于65 75之间的元素 7 当我们知道了某些元素的同类元素后 有时可以修正该元素的原子量 8 一些类似的元素能根据其原子量的大小被发现出来 是对化学的又一次辩证的综合 把原来认为互不相干 彼此孤立的各种元素统一起来 生动揭示了自然界事物的发展由量变到质变的过程 为辩证唯物主义自然观的创立提供了有力的科学依据 124 5 生物学 1 细胞学说的建立 1938年 德国生物学家M J 施莱登概括出细胞学说的主要论点 提出植物是由细胞组成的 并且指出植物胚胎来自单个细胞 次年 T 施旺进一步加以充实 提出动物和植物的细胞从整体而言 结构上是相似的 细胞是生物体的功能单位 这两位德国学者对细胞及其功能较为明确的定义 宣告了细胞学说基本原则的创立 有力地推动了生物学的发展 并为辩证唯物论提供了重要的自然科学依据 125 施莱登和施旺的细胞学说主要有三个方面内容 1 细胞是有机体 一切动植物都是由细胞发育而来 并由细胞和细胞产物所构成 动植物的结构有显著的一致性 2 每个细胞作为一个相对独立的基本单位 既有它们 自己的 生命 又与其他细胞协调地集合 构成生命的整体 按共同的规律发育 有共同的生命过程 3 新的细胞可以由老的细胞产生 126 127 128 达尔文 达尔文 1809 1882 19世纪英国杰出的生物学家 生物进化论的奠基人 他找到了生物发展的规律 证明所有的物种都有共同的祖先 他在科学上完成了一次伟大的革命 结束了生物学领域中唯心主义 形而上学的统治时期 对近代生物科学产生了巨大而深远的影响 129 物种起源 中译本书影 物种起源 全名为 依据自然选择 或在生存斗争中适者生存的物种起源 于1859年11月24日问世 这是一部具有划时代意义的科学巨著 该著作批判了创造论的错误 阐明了进化论的思想 130 1831年 达尔文乘坐 小猎犬号 开始了长达五年的环球考察 为其日后提出进化论奠定了坚实的基础 达尔文当年乘坐的 小猎犬号 131 当时讽刺达尔文的一幅漫画 132 4 相似的生物起源于一个共同的祖先 一切生物的最终起源是单一的 5 在自然界中 生物物种是通过自然选择而产生的 2 进化论的创立 达尔文的进化论 1 生物是进化来的 2 变异是生物普遍存在的现象 变异的基本原因是生活条件的改变 3 通过人工培育可以产生新种 133 达尔文的进化论的创立具有划时代的意义 第一 彻底粉碎了神创论和形而上学物种不变论 第一次把生物学建立在科学的基础上 第二 为辩证唯物主义自然观的创立奠定了自然科学史的基础 3 遗传理论 134 四 第二次科技革命 二 标志 电力和内燃机技术的应用 三 主要科学技术成就 1 电力技术 在电磁学理论的指导下的技术革命 A 1866年德国制造了第一台能提供强大电流的自激式发电机 打开了近代强电技术的大门 B 1873年德国阿尔特涅克研制了成功了使发电机产生均匀电流的鼓状转子 从而使发电机得以广泛推广而进入实用阶段 C 1879年出现了由电动机驱动的电车 电梯 起重机 电动机等 一 背景 135 电灯发明后柏林街头的夜景 资产阶级的兴起和欧洲思想解放的潮流催生了许多顶天立地的科学巨匠 殖民掠夺 奴隶贸易和圈地运动使资本主义积累了大量资本和廉价劳动力 奠定了工业革命的物质基础 生产力的发展和新的社会需要又推动了科技创新 而科学技术领域的突破最终引发了改变世界的工业革命 至19世纪 人类社会已经告别中世纪的宗教黑暗 相继跨入蒸汽时代和灯火辉煌的电气时代 136 137 D 19世纪80年代 法国德普勒研制出了第一条高压输电线路 及经英 美 德 俄等国电气工程技术人员发明德三相发电机 电动机 变压器 最终建立了三相交流供电系统 2 电讯技术A 1838年美国莫尔斯发明了电报电码 制造了第一台有发展前途的电报机 B 1844年美国政府资助莫尔斯在华盛顿和巴尔的摩之间建成了一条长64千米的电报线路 电报进入了实用阶段 C 1876年美国贝尔发明了电话 不久爱迪生又解决了长距离通话的问题 电话很快普及 138 D 意大利发明家马可尼于1892年进行了多次无线电通讯技术的实验 于1896年收发距离达到14 5千米 1899年增大到50千米 1901年无线电信号从英国跨越了大西洋 传到了加拿大 从此无线电技术正式被应用 3 内燃机技术A 1896年法国雷诺研制了第一台电点火的煤气内燃机 但是效率只有4 B 1862年法国罗沙斯为了提高效率进行了理论分析 提出了等容的四冲程循环原理 1876年 德国奥托研制出了第一台四冲程往复活塞式内燃机 C 1883年德国工程师戴姆勒研制成了第一台汽油内燃机 从此汽车工业开始飞速发展 139 140 141 D 1892年德国工程师狄塞尔研制了完全靠压缩点燃德菜油内燃机 成本降低而热效率进一步提高 成为重型运输工具的主要动力设备 4 钢铁冶炼技术A 1855年英国贝塞尔发明了 吹气精炼法 将炼钢炉从固定式的结构改为可转动的形式 这种转炉炼钢法用大约十分钟时间 就可把10吨左右的生铁炼成熟铁或钢 且费用减少10倍 142 B 1864年至1868年 法国人马丁和德国人威廉 西门子发明了 西门子 马丁炼钢法 又称平炉炼钢法 平炉炼钢法与转炉炼钢法相比较 点燃熔炼德时间长些 但产量高 一炉能炼出上百吨钢水 钢的质量比较稳定均匀 能生产优质钢 从此钢铁的产量迅速上升 据资料统计 19世纪80年代全世界钢产量只有70万吨 而到了1900年 钢产量迅速达到了2783万吨 143 四 第二次科技革命的特点 1 科学走在生产技术的前面 第二次科技革命最显著的特点 2 技术研究的专业化 集体化 3 技术成果的商业化 产业化 144 第四章现代科学技术 第一节基础科学的发展第二节现代高科技 145 科学与技术的含义及特征 一 什么是科学 Science 科学的本义是 学问 知识 中国古代的 格物致知 日本 致知学 明治维新时期 日本著名科学启蒙大师 教育家福泽瑜吉把 Science 译为 科学 在日本广泛应用 1893年 康有为引进并使用 科学 二字 科学启蒙大师 严复在翻译 天演论 等科学著作时 也用 科学 从此在中国得到广泛应用 146 1 几种基本解释 1 科学是对客观事物发展规律的正确认识和总结 2 科学是关于自然 社会和思维的知识体系 3 科学是征服自然 改造社会的武器 2 科学一般分为纯粹科学和应用科学 3 科学的地位和功能 1 是在精神文明方面 即认识世界是科学的认识功能 2 是在物质文明方面 即改造世界是科学的生产力的功能 147 4 科学是对客观实际的反映和本质的描述 是连续性与间断性的统一5 美国科学家贝尔纳对科学的定义 包括5个方面 1 是体制 是完成科学社会任务的组织 2 是方法 即发现事实和规律的一切方法的总和 3 是指积累而成的知识体系 4 是指科学构成生产发展的重要因素 5 是指科学构成新思想和世界观产生的源泉 148 技术的内涵 特征及属性 一 什么是技术 Technology 1 法国狄德罗在 百科全书 中指出 技术是为某一目的共同协作组成的各种工具和规则体系 技术概念包括5个要点 1 把技术与科学区别开来 技术是有目的的 2 要强调技术的实现是通过广泛社会协作完成的 3 技术首要表现是生产工具 是设备 是硬件 4 技术的另一重要表现形式是 规则 即生产使用的工艺 方法 制