物理学思想史和方法论物理学史课件.pptVIP

第一篇古代物理学 启明之光 第一章中国古代的物理学萌芽 第二章西方古代古代物理学进展 第一章中国古代的物理学萌芽 第一节 物质本原思想一元素与原子的观点1 阴阳学说2 五行思想 3 原子的观点 二元气说 第二节 物理学知识的积累一 力学二 热学三 光学四 电磁学五 声学六 天文学 概况 在古代 无论是古希腊还是中国 都谈不上有 物理学 当时人们还不可能自觉地 系统地运用实验方法 也不可能通过严密的逻辑推理和数学形式进行科学的概括 使之成为完整的知识体系 但这一阶段仍是物理学形成和发展的先导和渊源 是物理学发展的孕育和萌芽时期 在中国 自夏 商 西周起 随着手工技术的发展 物理知识开始积累 春秋战国时期科学技术蓬勃发展 中国古代物理学开始形成 秦汉时期 形成一个发展高峰 宋元时期达到鼎盛 至此 在西方近代科学诞生之前 中国的科学技术在各个领域都居世界领先地位 明末至清初以后 科学和科学技术的发展逐渐落后于西方 这一时期 西方物理知识开始向中国输入 一 元素与原子的观点1 阴阳学说阴阳是中国古代哲学的一对范畴 阴阳的最初涵义是表示阳光的向背 向日为阳 背日为阴 后来 又给它赋予了一定的意义 把自然界和社会上一切对立的现象抽象为阴阳 用阴阳概念来解释自然界两种对立和相互消长的物质势力 用来解释天文气象 四季变化 万物兴衰等自然现象 如气候的寒暖 方位的上下 左右 内外 运动状态的躁动和宁静 以及天地 男女 昼夜 君臣 夫妻等 阳代表积极 进取 刚强 上升 温热 明亮 雄性 太阳等阳性和具有这些特征的事物 阴代表消极 退让 柔弱 下降 寒冷 晦暗 雌性 月亮等阴性和具有这些特征的事物 第一节 物质本原思想 认为 阴阳的对立统一运动 是自然界一切事物发生 发展 变化及消亡的根本原因 是自然界一切事物运动变化的固有规律 阴阳的对立和消长是宇宙的基本规律 阴阳学说的基本内容包括阴阳对立 阴阳互根 阴阳消长和阴阳转化四个方面 阴阳有序 整体和谐 是世间的最佳状态 也是事物稳定的基本保证 周易 以阴阳的范畴为基础 说明天地变化及各种现象 易有太极 是生两仪 两仪生四象 四象生八卦 易经 系辞上 意思是 宇宙的的本原是 太极 物质的原始状态 太极生出天地 阴阳 天地生出四时 春 夏 秋 冬 再生出 八卦 天 地 山 泽 水 火 风 雷 白纸称为无极 画上一个圆圈 称为无极生太极 宇宙 中间一条曲线分成黑白两个部分 称为太极生两仪 中间的曲线表示了阴阳的相互运动和相互转化 黑白两个半球中各有一个与之颜色相反的小圆圈 称为阴阳子 表示阴中有阳 阳中有阴 四象和阴阳的组合再生八卦 乾 坤 震 撰 坎 离 艮 g n 兑 八卦则是其形式化和符号化 为阴 为阳 分别称作 阴爻 y o 和 阳爻 阴爻和阳爻的组合构成四象 22 23 周易 是以阴 阴爻 阳 阳爻 为基本单位而形成的一种对事物的理论性把握 阴与阳二单位的不同组合形成八卦 将八卦中之任意两卦叠合即形成六十四卦 每卦有六爻 共组成384爻 八卦的卦 爻 位之间 有复杂的关系 64卦的卦象变化和爻数就更加复杂 它反映了事物之间错综复杂的相互关系 在易学中 事物的性质即由阴与阳所占整体成份之多少及阴阳空间相对位置关系所决定 五行思想五行 金 木 水 火 土五种基本物质或元素 水曰炎上 木曰曲直 金曰从革 土爰稼穑 尚书 洪范 构成 世界万物皆由上述五种元素构成 以土与金 木 火 水杂 以成百物 国语 郑语 相互关系 相生与相克 土生金 金生水 水生木 木生火 火生金 土克水 水克火 火克金 金克木 木克土 发展 五行说的起源早于 太极 和 道 在殷末已普遍流传 春秋战国时期 五行说与阴阳说相结合 形成了阴阳五行说 形成了五行相生相克的关系 宋代以后 五行作为由太极到万物的中间环节 被容纳于宇宙生成体系之中 宇宙由太极而生 太极生出阴阳 阴阳生出五行 五行相互作用 生出男女及世间万物 和西方比较 古希腊的四根说 古印度的四大说 无金 1 概述 中国古代的哲人们期望着将世界万物本源归结为一种统一的物质 认为世界应该是由一种连续分布于整个空间的物质所构成 而不像 五形说 是各种元素的组合 在 道 和 太极 的思想指导下 逐渐形成并发展成为在中国古代自然观中重要的 占主流地位的 元气说 春秋战国时期 老子认为由最高范畴的道生出阴阳二气 进而产生万物 庄子继承和发扬老子的学说 提出 通天下一气 的思想 战国末期的荀 x n 况也指出气是构成万物的基本元素 元气说在春秋战国时期出现 在汉代逐渐成熟 经过唐 宋得到相当大的发展 明末清初达到高峰 由汉代的王充 唐代的柳宗元和刘禹锡为代表 形成了 元气自然论 由宋代张载和明末清初的王夫之为代表形成了 元气本体论 二元气说 2 元气说 的主要思想 气是充满整个宇宙客观存在的物质 是万物本原 王充在 论衡 中说 天地 含气之自然也 论衡 谈天 天地合气 万物自生 论衡 自然 王充 27 约97 东汉时期的唯物主义哲学家和进步思想家 创立了以气为基础的元气自然论 主要著作有 论衡 共30卷 85篇 涉及力学 声学 光学 热学 电磁学等多方面的知识 是我国中古时期的一部百科全书 气有聚散两态 太虚为气 气形转化张载 1020 1077 宋 太虚者 气之体 形聚为物 形溃反原 正蒙 乾称 王夫之 1619 1692 明末清初 虚空者 气之量 气弥沦无崖而希微不形 则人见虚空而不见气 凡虚空者 气也 聚则显 显则人谓之有 散则隐 隐则人谓之无 张子正蒙注 太和 气分阴阳 永远处于运动变化之中 物质不灭思想王夫之 张子正蒙注 太和 气 散而归于太虚 复其氤氲之本体 非消灭也 聚而为庶物之生 自氤氲之常性 非幻成也 聚散变化 而气本体不为之损益 车薪之火 一烈而尽 而为焰 为烟 为烬 木者仍归木 水者仍归水 土者仍归土 特希微而人不见者 一甑 zeng 之炊 湿热之气 蓬蓬勃勃 必有所归 若盖严密 则郁而不散 3 元气说的局限 以太和场 元气学说注重物质连续与不连续的相互统一 强调事物间的相互联系和相互转化 符合自然界的真实变化 与自然本性更接近 但元气说终究是一种思辩理论 没有实验 数学等科学方法的配合 长期停留在推测 玄想阶段 致使中国没有走上诞生近代科学的道路 中国古代的气概念因为在理论上要泛化而更多脱离了自然存在的一种物质形态的范畴 另一方面在抽象程度上又没能达到哲学的高度 在具体运用中气的内涵也是可以在抽象的元气与具体的空气间漂移 尽管也被中国古人用来解释自然现象 但在中国的文化中 气更多地成为了自然哲学层次的概念而不是物理学层次的概念 第二节物理学知识的积累 一力学1 物理计量 时间计量 度量衡2 时间 空间 运动 空间和时间 运动与静止 运动的相对性3 对力的认识 4 力学知识的应用 一力学1 物理计量 时间计量a 干支纪法 春秋时鲁隐公三年 前722 二月己巳日至清宣统年 1911 干支 是 天干 和 地支 的合称 天干 甲 乙 丙 丁 戊 己 庚 辛 壬 癸 地支 子 丑 寅 卯 辰 巳 戊 午 未 申 酉 戍 亥 组成 六十干支 甲子 乙丑 癸酉 甲戊 乙亥 癸亥 共60个组合 也称 六十甲子 周而复始 不断循环 b 十二时辰记时法 子时 23 1时 丑时 1 3时 亥时 21 23时 c 百刻时制 漏壶记时制 采用日晷或漏壶将一昼夜分为十时 一时分为十刻 刻 为漏壶的基本记时单位 在竹或木制的箭上100个等分刻度 其高度正好等于一昼夜漏壶滴水的高度 1刻等于现在的14 4分钟 d 机械记时 东汉时期张衡117年发明浑天仪 用于测定天体位置 一天转一周 后经唐宋发展 成为世界上最早的天文钟 星晷 月晷 圭表 日晷 漏壶 漏壶有两种形式 泻水型和受水型 我国最早的西汉青铜挈壶为泻水型漏壶 只有一把挈壶 出水口在壶底侧 由于挈壶里水位不同时出水速度不同 后来又发展出受水型 并逐渐由最初的两壶发展成多壶 右图为根据唐朝吕才 历象汇编历法典 99卷刻漏图制作的四级漏壶 浮漏 宋代沈括在多级漏壶的基础上发明了浮漏 每昼夜误差小于20秒 宋代燕肃制作的莲花漏改进了刻箭的刻度方法 精度提高到14 4秒 宋代赵友钦则将精度提高6秒 度量衡 度 长度量 容量衡 重量 汉书 律历志 详细记载 长度单位 引 丈 尺 寸 分 十进制 容量单位 斛 h 斗 升 合 龠 yu 十进制 重量单位 石 钧 斤 两 铢 非十进制 长度 孔子家语 记载 布指知寸 布手知尺 舒肘知寻 即 从中指的指端到第一横纹叫一寸 拇指和中指一扎为一尺 两臂伸开长八尺 叫一寻 孙子算经 度之所起 起与忽 蚕吐丝为忽 十忽为一丝 十丝为一毫 十毫为一厘 十厘为一分 汉书 律历志 记载 度本起黄钟之长 九十分黄钟之长 一为一分 十分为寸 十寸为尺 十尺为丈 十丈为引 容量 一手所盛为 溢 二手合盛为 掬 掬四谓之豆 重量 古人将重量器具称之为 衡 衡的形式包括 等臂天平 不等臂天平 杆秤 权就是砝码或秤砣 公元211年 秦始皇统一中国后 在商鞅变法的基础上对度量衡进行了统一 制发了一大批度量衡标准器 意义重大 2 时间 空间和运动 时间与空间 尸子 上下四方曰宇 往古今来曰宙 运动的相对性 吕氏春秋 刻舟求剑 故事 隋书 天文志 乘船以涉水 水去船不徙也 仰游云以观 日月常动而云不移 抱朴子 塞难 见游云西行 而谓月之东驰 春秋纬 元命苞 汉代 天左旋 地右动 春秋纬 考灵曜 y o 地恒动不止 而人不知 比如人在大舟中 闭牖 y u 而坐 舟行而人不觉 比伽利略 1564 1642 相对性原理早一千多年 3对力的认识 1 力的概念 墨径 力 刑之所以奋也 这里刑即形 指物 奋即飞 动的意思 王充 论衡 效力篇 人有知学 则有力矣 文吏以理事为力 而儒生以学问为力 举重拔坚 壮士之力也 故夫垦草殖谷 农夫之力也 东汉 西方 17世纪初 弗兰西斯 培根 提出 知识就是力量 3 杠杆原理 墨径 中对不等臂天平的论述 衡 加重于其一旁 必捶 权 重相若也 相衡 则本短标长 两加焉 重相若 则标必下 标得权也 2 外力与内力王充 论衡 古之多力者 身能负荷千钧 手能决角伸钩 使之自举不能离地 4 浮力 曹冲称象等 5 弹力 弓箭的制作等 东汉郑玄127 200 6 大气压力西汉时期已利用虹吸管 渴乌 东汉时已广泛用于灌溉 唐朝已有隔山取水的大型引水工程 关尹子 瓶存二窍 以水实之 倒泻 闭一则水不下 盖 气 不升则水不降 唐代王冰 素问 虚管灌满 捻上悬之 水固不泻 空瓶小口 顿灌不入 为气不出而不能入也 7 惯性 春秋战国时期的 考工记 中描述 马力既竭 轴犹能一取焉 4力学知识应用 尖劈 辘轳 滑轮 水转筒车 水转连磨 水碓 du 舂米用具 水排鼓风机 公元31年东汉南阳太守杜诗发明 被中香炉 记里鼓车 水运浑象仪等 古代建筑学上力学的应用 如隋代李春建造的赵周桥 是我国古代留传至今最古老 跨度最大 弧度最浅的石拱桥 距今已1300年 公元1056年建造的辽代山西应县木塔 是世界上现存的最高的古代木构建筑 高67 31米 经受近一个世纪的风雪袭击 12次六级以上地震 至今安然屹立 宋代建筑师喻皓曾在开封建 开宝寺塔 斜塔 塔初成 望之不正 而势倾西北 人怪而问之 皓曰 京师地平无山 而多西北风 吹之不百年当正也 归田录 明代的北京故宫群等等 被中香炉 水排鼓风机 取自 王祯农书 启明之光 一 中国古代的物理学萌芽 中国古代科技 水碓 二热学1 对热现象和热本质的认识 温度 湿度极其测量 火候 在烧制陶器和冶炼金属的过程中 通过对 火候 的观察 来定性的判断温度的高低 考工记 记载了青铜冶炼时火色与温度的关系 凡铸金之状 金与锡 黑浊之气竭 黄白次之 黄白之气竭 青白次之 青白之气竭 青气次之 然后可铸也 即当 炉火纯青 时 炉温达到1200度左右 杂质挥发 铜锡融合 可以用来浇铸了 火色实际为物质原子的发射光谱及其强度的表现 湿度 淮南子 琴弦缓 天且雨 风雨之变 可以音律知之 即现在毛发湿度计的原理 热胀冷缩与热应力热胀冷缩 增大热应力 在公元前250年都江堰水利工程中的应用记载 大滩江中 其崖崭峻不可凿 乃积薪烧之 这种增大热应力开凿巨石的记载很多 热的本性五行说 热 火 是构成物质的一种元素 元气说 热这种物质的本原仍是气 2热能利用与热功高温技术 殷商时期在高温冶炼铸造技术方面就已卓有成效 殷代文物司母戊鼎 商代的四羊尊 战国的铜尊盘 秦始皇陵的大型铜马车等 春秋末期制造的白口铁和中碳钢剑 表明当时的冶炼已达到1300 的高温 松脂灯 孔明灯 走马灯 利用冷热空气对流带动纸轮旋转 热气球 14世纪初 元朝仁宗登基时在元大都 北京 升起世界上第一个热气球 火药 四大发明之一 火器 烟花等 火箭 宋代的管形火器 突火枪 元代的铜炮 明代的多种多发火箭 万虎 明代官员 是 第一个企图利用火箭飞行的人 他用47只最大的火箭绑在椅子背后 手拿两个大风筝 想借助火箭的推力和风筝上升的力量飞向空中 1970年国际天文学会为了纪念他 把月球背面的一个环行山命名为 万虎环行山 三光学 1 光的直线传播与小孔成像2 光的反射与镜面成像3 光的折射与透镜4 光的色散 1 光的直线传播与小孔成像 墨径 景倒 在午有端与 景 光之人 照若射 下者之人也高 高者之人也下 足蔽下光 故成景与上 首蔽上光 故成景与下 午 交叉 端 小孔 赵友钦实验 宋末元初 赵友钦实验在中国古代史上占有重要地位 其实验目的明确 设计合理 步骤清晰 结果可靠 是中国物理学史上的的一个首创 梦溪笔谈 若鸢 yu n 飞空中 其影随鸢而移 或中间为窗所束则影与鸢相违 鸢东则影西 鸢西则影东 又如窗隙中楼塔之影 中间为窗所束 亦皆倒垂 赵友钦实验 实验中他固定几个条件 改变一个条件来观察成像情况 实验分五步进行 改变孔的大小 比较成像情况 改变光源强度 作日月蚀模拟实验 改变像距 改变光源距离 观察小孔成像的变化 改变孔的大小和形状 做大孔成像实验 小罅光景影象 平面镜 景 日之光反烛人 则景在日与人之间 凸面镜 鉴团 景一 鉴者近 则所鉴大 景亦大 其远 所鉴小 景亦小 而必正 即鉴团只成一缩小的正立的像 虚 凹面镜 鉴洼 景 一小而易 一大而正 说在中之外 内 中之内 鉴者近中 则所鉴大 景亦大 远中 则所鉴小 景亦小 而必正 起于中缘正而长其直也 中之外 鉴者近中 则所鉴大 景亦大 远中 则所鉴小 景亦小而必易 合于中长直也 鉴洼 即凹面镜 中 为焦点 易 即倒置 2 光的反射与镜面成像 墨经 中论述了光的反射 包括平面镜 凹面镜 凸面镜的反射情况 镜术 利用平面镜成像制成 万花筒 样的 魔镜 日月镜 四规镜等 灯衢 清代黄履庄造 做小屋一间 内悬灯数盏 人入其中 如至通街大市 人间稠杂 灯火连绵 一望数里 罗汉堂 清代郑复光造 从侧面小洞向里看 千门万户 百千罗汉 凹凸面镜 殷武丁时期就出现了凹 凸面铜镜 透光镜 现上海博物馆珍藏有西汉时期的 透光镜 青铜 隋唐 古镜记 记载 承日照之 则背上文字 墨入影内 纤毫无失 沈括 阳燧面洼 以一指迫而照之则正 渐远则无所见 过此遂倒 小鉴不能全观人面 故令微凸 收人面令小 则鉴虽小而能全纳人面 仍覆量鉴之小大增损高下 常令人面与鉴大小相若 3 光的折射与透镜 冰透镜 西汉 淮南万毕术 记载 削冰令圆 举向以日 以艾承其影 则火生 鲫鱼杯 宋代 春渚 zh 纪闻 有一鲫 长寸许 游泳可爱 水倒出 鱼不复见 复酌水酒中 须臾一鱼泛然而起 蝴蝶杯 兰花杯 等 4 光的色散雨后成虹和造虹实验 唐初孔颖达 礼记注疏 日照雨滴则虹生 唐代张志和 玄真子 雨色映日而为虹 背日喷乎水 成虹霓之状 南宋蔡卞 毛诗名物解 云薄漏日 日照雨滴则虹生 今以水喷日 自侧视之 则晕为虹霓 故今雨气成虹 朝阳射之则在西 夕阳射之则在东 鸡子石英证含光图 著名道士张果修炼内丹的著作 修真历验钞图 讲到从白石英看到 映日则光玉也 五色玄英 白石英为无色透明晶体 属六角晶系 用白石英作的三棱镜对日光产生了色散 明末方以智 物理小识 四电磁学 1 对电的认识2 对磁的认识3 电与磁的应用 1 对电的认识摩擦起电 东汉王充 论衡 顿牟掇芥 磁石引针 他类肖似 不能掇取者 何也 气性异殊 不能相感动也 顿牟指玳瑁 爬行动物 形状象龟 这里指其壳 用元气解释静电现象 西晋张华 博物志 记载 今人梳头 脱着衣时 有随梳 解结有光者 也有吒声 唐代 酉阳杂俎 猫 黑者 暗中逆循其毛 即著火星 雷电现象 沈括 梦溪笔谈 雷火自窗间出 赫然出檐 人以为堂屋已焚 皆出避之 及雷止 其舍宛然 墙壁窗纸皆黔 黑 有一木格 其中杂储诸器 其漆器银扣者 银悉熔流在地 漆器曾不焦灼 有一宝刀 极坚刚 就刀室中熔为汁 而室亦俨然 明代方以智 雷火所及 金石销熔 而漆器不坏 武当山天柱峰金顶三大奇观之一的 雷火练殿 1 对电的认识 淮南子 记载 阴阳相薄为雷 激扬为电 2 对磁的认识磁性 吕氏春秋 慈石召铁 或引子也 鬼谷子 慈石取针 高诱注释 吕氏春秋 时指出 石 铁之母也 以有慈石 故能引其子 石之不慈者 亦不能引也 磁石吸引物质只限于铁 淮南子 若以慈石之能连铁也 而求其引瓦 则难矣 及其于铜则不通 屏蔽 明末刘献廷 广阳杂记 慈石吸铁 隔碍潜通 或问余曰 慈石吸铁 何物可以隔之 犹子阿儒曰 唯铁可以隔之耳 其人去而复来 曰 试之果然 3 电与磁的应用 避雷针 磁性指南器 磁化地磁场磁化法 1044年出版的宋代曾公亮 武经总要 鱼法 以薄铁叶剪裁 长二寸阔五分 首尾锐如鱼形 置碳火中烧之 侯通赤 以铁钤钤 qi n印 章 鱼首出火 以尾正对子位 蘸水盆中 没尾数分则止 以密器收之 用时置水碗于无风处 平放鱼在水面令浮 其首常南向午也 将铁片烧红的是使磁畴重新分布成为顺磁体 淬火使磁畴稳定 磁石磁化法 沈括 梦溪笔谈 方家以磁石磨针锋 则能指南 然常微偏东 地磁偏角 不全南也 中国古代科技 指南车模型 启明之光 一 中国古代的物理学萌芽 五声学 1 声音的产生 略 2 声音的传播 略 3 共振4 共鸣及其消除5 声音的反射6 古代乐器7 律学 1 共振 庄子 徐无鬼 为之调瑟 废于一堂 废于一室 鼓宫宫动 鼓角角动 音律同矣 夫改调一弦 于五音无当也 鼓之 二十五弦皆动 梦溪笔谈 琴瑟弦皆有应声 宫弦则应少宫 商弦则应少商 其余皆隔四相应 今曲中有声音 须依此用之 欲知其应者 先调诸弦令声和 乃剪纸人加弦上 鼓其应弦 则纸人跃 他弦则不动 声律高下苟同 虽在他琴鼓之 应弦亦震 此谓之正声 共振实验 鱼洗 2 共鸣及其消除南北朝时期刘敬叔 异苑 晋中朝有人蓄铜澡盆 晨夕恒鸣如人扣 乃问张华 华曰 此盆与洛钟宫商相应 宫中朝暮撞钟 故声应尔 可错 挫 令轻 则韵乖 鸣自止也 依其言 后不复鸣 唐代韦绚 刘宾客嘉话录 记载了当时的太乐令曹绍为一僧人治病的事 该僧人因僧房内一磬无故自鸣 而惊恐成疾 3 声音的反射 北京天坛 回音壁 三音石 对话石 山西永济 莺莺塔 普救寺舍利塔 因 西厢记 而称 莺莺塔 是一座空心砖塔 初建于唐武则天 后重建于明嘉靖42年 1564 因其可产生蛙鸣般的回声 而列河东 清八景 之一 普救蟾声 河南三门峡 蛤蟆塔 建于金大定十六年 在塔外十余米处击石拍掌 有蛙鸣回音 四川潼南 石琴 实为登山石阶 凿于江边完整无缝凹处 沿石阶拾级而上 自第四级到第十九级 凡步履所触 便会发出悠扬婉转的古琴声在洞内回荡 其中有七级石蹬的发音特别洪亮 称为七步弹琴 题为石蹬琴声 回音壁传声示意图 三音石和对话石回声示意图 莺莺塔回声示意图 编种 4 古代乐器新石器时代 陶埙 x n 和骨哨 诗经 记载 有29种之多 包括各种弹琴 吹奏 打击等乐器 战国曾侯乙墓 出土的有 编钟 磬 笙 排萧等 5 律学商代 已有五声音阶 宫 商 角 徵 zh 羽 1 2 3 5 6 后又增加了两个半音 变徵 近4 变宫 7 成为七声音阶 西周 已发展为十二律 黄钟 大吕 太簇 夹钟 姑洗 仲吕 蕤ru 宾 林钟 夷则 南吕 无射 y 应钟 乐律的计算 三分损益法 最早见于 管子 地员 公元前4世纪 是世界上最早的乐律计算方法 具体操作是 将一空弦依次乘以2 3或4 3 即缩短1 3 损一 或加长1 3 益一 分割成不同的长度 这就产生出不同频率的乐音 具体的推算是 设黄种宫音的弦长为34 81 徵音的弦长为81 4 3 108 商音的弦长为108 2 3 72 羽音的弦长为72 4 3 96 角音的弦长为96 2 3 64 依次类推 清史稿 乐志二 十二平均律 发明者 朱载育 1536 1610 朱元璋的九世孙 成于1581年左右 在 律学新说 和 律吕精义 有记载 和十二律的产生已相距2000余年 是一种相临律间音程差数相等的律制 方法 以公比的等比级数分配音律 也就是在八度音之间 分成十二个等音程的半音 两相临音律间的频率比都是 这样可以使十二律自 黄钟为始 应钟为钟 终而复始 循环无穷 具体做法 当把2开到12次方得到频率的倍律1 059463后 再把1 059463自乘12次 就得到十二律的平均倍数 具体数字是 单位为尺 黄钟 正律 为1 000000 应钟 倍律 为1 059463 无射 倍律 为1 122462 大吕 倍律 为1 887748 黄钟 倍律 为2 000000 上面所列数字表示振动体 弦 长度 朱载育依据自己发明的十二平均律确定了 均准 即弦准 是世界上第一个依据十二平均律建立的定律器 也是世界上第一个依据十二平均律建立的弦乐器 朱载育还制定了一套标准律管 36根 含三个八度 铜材 制作律管时 朱载育发现律管长度加倍或减半且管径相同时 律管发出的音有差别 为此 他根据实验和借助数学找出管口校正的方法和数据 他用缩小管径来校正 因此他的律管为异径律管 盖天说 起源于殷周时期 周 天圆如张盖 地方如棋局 后发展为 天似盖笠 地法覆 浑天说 代表人物是东汉张衡 公元78年 139年 生于河南南阳石桥镇 公元111年担任太史令 主持天象观测 编订历法 发明了浑天仪 候风地动仪 张衡在 浑天仪图注 中写到 浑天如鸡子 天体圆如弹丸 地如鸡中黄 认为大地是球形的 运动的 地球是宇宙的中心 用一个天壳和附天而行的日月五星来解释天文现象 和西方同一时期的 地心说 相似 张衡强调 宇之表无极 宙之端无穷 国际天文学组织用他的名字命名了一颗小行星和月球上的一座环行山 宣夜说 晋书 天文志 记载 宣夜之书亡 惟汉秘书郎萌记先师相传云 天了无质 仰而瞻之 高远无极 眼精绝 故苍苍然也 日月众星 自然浮生虚空之中 其行其止 皆须气焉 启明之光 一 中国古代的物理学萌芽 六 天文学 启明之光 一 中国古代的物理学萌芽 水力浑象与地动仪 第一节古希腊物质本原思想第二节古希腊时期对宇宙的认识第三节古希腊的物理学知识第四节中世纪的物理学知识第五节 亚里士多德的物理学 第二章西方古代物理学 1 古希腊的三个时期 公元前8世纪 4世纪 城邦时期 前8世纪 前4世纪 在地中海东岸有10余个不同城邦 这时的雅典为众城邦的盟主 也是科学文化发展的中心 出现了大批著名的哲学家和科学家 泰勒斯 毕达哥拉斯 德谟克利特 苏格拉底 柏拉图和亚里士多德等 罗马时期 前2世纪 4世纪 希腊被罗马人征服 开始了罗马时期 初期由于政治动荡 科学开始衰退 当社会稳定后 从公元2世纪到4世纪 亚历山大里亚的科学再度中兴 这时科学家已经转为重视使用的氛围中 研究活动多与实际生活的需求相关 或者表现为对以往科学的注释上 亚历山大时期 前4世纪 前2世纪 以亚历山大为首的马其顿人征服了全希腊 建立了地跨欧亚非大陆的亚历山大帝国 在埃及建立了 亚历山大城 在城内还建立了博物馆和图书馆 谬斯学院 聚集了大批优秀的科学家 科学文化的中心也自然的转为埃及的亚历山大城 阿拉伯文化时代 8 11世纪 地处东西方贸易交流纽带的阿拉伯 成为沟通东西方文化的桥梁 同时完好的保存了许多古希腊的学术典籍 对后来欧洲文艺复兴乃至近代科学产生重大影响 2 中世纪可以细分为三个时期 5世纪 15世纪 黑暗时代 5 8世纪 内部奴隶起义 外部日尔曼部落入侵 西欧逐渐过度到封建领主土地所有制 同时基督教成为罗马国教 消灭一切异教文化 对整个社会实行严酷的思想统治和愚昧政策 违背宗教的见解受到惩罚 圣经的语句具有法律效力 古希腊学术终结 经院哲学时代 11 15世纪 经院哲学是以理论形式装扮起来的为封建统治阶级服务的官方哲学 经院哲学所进行的一切论证均以圣经词句作为出发点和终极真理 根本无视经验和实践 敌视对自然界进行科学研究 代表人物托马斯 阿奎那 1226 1274 将亚里士多德的学说神话 使其成为不可侵犯的权威 反叛代表培根 第一节古希腊物质本原思想一元素论二数的和谐思想三原子论 一元素论1 城邦时期 公元前8世纪 前4世纪 米利都学派创始人泰勒斯 公元前624 前547 认为万物本原是水 其学生阿那克西曼德 公元前610 前547 认为世界的本原应是无任何固定性质的 无限者 即没有固定的界限 形式和性质的东西 由它生出土 水 气 火等 阿那克西曼德的学生阿那克西米尼 公元前585 前528 则将万物的本原看作是 空气 赫拉克利特 公元前540 前475 一城邦邦主 认为是 火 恩培多克勒 公元前493 前433 西西里岛的一位王子 提出 四根说 即物质由土 水 气 火四种元素构成 2 亚历山大时期亚里士多德在总结前人研究的基础上 提出 地上万物由土 水 气 火四种元素组成 月层以上的天体由以太组成 而元素又由冷 热 干 湿这四种更基本的基质构成 二数的和谐思想创始人 毕达哥拉斯 约前584 前497 认为世界是一个超感性世界 是一个 数 的世界 数是万物本原 有了一个一个的数 才有了几何上的点 有了点才有线 面和立体 有了立体才有土 水 气 火四种元素等 由于注重数的比例关系 发现了数学上的毕达哥拉斯定理 勾股定理 与音乐上的五度相生律 认为世界上的一切现象和规律都服从 数的和谐 这种 数的和谐 表现为数学上的简单性 对称性与和谐性 毕达哥拉斯学派对数的尊崇形成了对数的神秘主义 但他们对 数的和谐 的追求 却形成了理性的数学传统 对后来自然科学的孕育 形成和发展产生了巨大作用 数的和谐 成为后来以至今天科学研究的一个重要指导原则 由 数的和谐 发展为 宇宙的和谐 的观念成为历代科学家的指导思想与科学方法 三原子论创始人 米利都学派的留基伯 公元前500 前440 和其学生德谟克利特 公元前460 前370 接受了毕达哥拉斯的超感性世界的认识 但不接受 数 的本原观点 他将微观的几何点同 存在 结合起来 认为 存在 是不可分的 不变的 球形的 并将 存在 取名为 原子 100年后雅典的伊壁鸠鲁 公元前341 前270 发展了这一学说 原子本身不仅有形式上的差别 还有大小和重量的不同 只要不遇到任何阻抗 原子在虚空中以同样的速度运动着 但是 由于原子内部的原因 原子在运动中会发生偏斜 由于这种偏斜使原子产生涡旋运动 罗马科学家卢克莱修 约公元前95 前55 也继承和传播了原子论 并用尘埃在阳光中的飞舞比喻原子的运动 到17世纪 法国科学家伽桑狄 1592 1655 重新发现和传播了原子论 他们的研究与传播对道尔顿建立科学的原子论作了必要的准备和中介 第二节古希腊时期对宇宙的认识 1 毕达哥拉斯学派认为天体的形状是球形 天上应该有10个天体 当中是中心火团 10个天体围绕中心火团做同心圆周运动 恒星紧系在天的最高圆顶 10个天体到中心火团之间的距离同音阶之间的音程具有同样的比例关系 以保证 星球的和谐 奏出 天体的音乐 天体必须作均匀的圆周运动的假设 一直控制着天文学的发展 直到开普勒为止 2 柏拉图学派继承和发展了毕达哥拉斯学派对科学美的追求 他认为 天体必须沿着完美的圆形轨道作均匀有序的运动 或者沿着复合的圆周运动 其学生欧多克斯 Eudoxus 前409 前355 和亚里士多德提出了同心球层模型 欧多克斯假设了26个同心球 亚里士多德发展到56个 地球为运动中心 3 地心说的发展与完善同心球层模型要求天体永远和地球保持同一距离 但行星亮度的变化和日食有时是全食 有时是环食的现象 说明行星 太阳 月亮离地球的距离是不断变化的 为了克服这一困难 阿波罗尼 Apollonius 约前247 前205 提出了 本轮 均轮 结构模型 行星沿着本轮做圆周运动 本轮的中心又在以地球为中心的均轮上做圆周运动 之后的希帕克斯 Hipparchus 前161 前126 又发展了偏心轮和本轮 均轮体系 例 从地球上看 金星总是在太阳方向的2 48 角度范围内 从不远离太阳 并且有时亮有时暗一些 赫拉克利特根据这一事实 设想它们沿轨道绕日运转 并产生亮度的变化 地心说体系最终由希腊晚期亚历山大城的数学家 天文学家托勒密 Ptolemaeus 约90 168 发展和完善 他用80个轮来解释天体的运动 与实测数据符合的较好 后来被宗教利用来宣传教义 流行了1400多年 问题 随着观察数据的增多和观察水平的逐渐提高 解释天体运动的圆还在增加 显然这和 简单美 相矛盾 5 太阳中心说阿里斯塔克 Aristarchus 约公元前310 前230 他在所写的 太阳和月亮的大小与距离 OntheSizesandDistancesoftheSunandMoon 一书中提出 太阳是宇宙的中心 地球和行星都围绕太阳运转 地球每年绕太阳转一周 又每天自转一周 因为恒星距离我们太远 其视差太小 我们看不出来 所以看起来恒星在远处不动 由于这一思想远远超过了当时的天文学和力学的知识水平 所以不为当时的人们所接受 并长期受到教会的压制 第三节古希腊的物理学知识古希腊的物理知识主要集中在力学和光学两个方面 力学主要有亚里士多德的动力学思想和阿基米德的静力学 一力学知识1 亚里士多德的力学研究 关于空间 他认为空间即意味着不动 并提出了空间位置的相对性 如 同一位置可以是右也可以是左 可以是上 也可以是下 但他认为宇宙有限和天球以外是空虚的 关于时间 他认为时间就是描述运动的数 他说 时间是使运动成为可以记数的东西 我们不仅用时间计量运动 也用运动计量时间 因为他们是相互确定的 他认为时间不同于运动 运动有快有慢 而时间的流失则是均匀的 关于运动 他认为运动就是变化 并将自然界的运动分为自然运动和强迫运动 强迫运动指借助外力进行的运动 撤去外力 运动停止 物体的运动速度与施加的外力成正比 与在介质中受到的阻力成反比 对抛体运动的解释 自然界害怕虚空 填补空虚推动物体 对自由落体速度越来越快的解释 物体越接近其天然位置 其奔向倾向就越强 上方空气柱的重量越来越重等 自然运动是指由于物体在 内在目的 的支配下寻找其 天然位置 的运动 与物质所含元素有关 如重物的垂直下落和轻物竖直上升 含土元素的重物的天然位置在地心 由火元素构成的轻物的天然位置在天空等 物体越重 下落就越快 物体越轻 上升就越快 意义 亚里士多德能够摆脱神的意志 并能形成一套自圆其说的体系 在当时是有非常重要意义的 在科学史上 他是一个重要的开拓者 尽管其许多观点是错误的 但其历史作用不可否定 2 阿基米德 前287 前212 古希腊最著名的物理学家 数学和力学大师 后人称其为 物理学之父 著有 论平面的平衡 论浮体 其数学研究在欧几里德之后达到那个时代的顶点 1 杠杆原理 用了7条假设 论证表述了15个命题 2 浮力定理 阿基米德定理 3 证明了正圆柱体内切球的体积与该圆柱体积之比为2 3 他采用了两种方法 实际制作了两个材料相同的模型 称其重量 从数学上推导论证 4 提出了重心的概念和物体重心的求法 5 计算了 的数值在3又10 71和3又1 7之间 6 发明了滑轮组 7 发明了阿基米德螺旋提水器等 启明之光 二 古希腊时期的物理进展 故事1 铜镜烧船 在保卫叙拉古免受罗马海军攻击的战斗中 阿基米德利用杠杆技术制造了远 近距离的投石机攻击敌舰 并用滑轮组把敌舰的船头拉倒 据说阿基米德让妇女用铜镜组成一面聚光镜烧战船上的帆 浸了油的绳与桅杆和帆都烧起来了 1747年 法国科学家布韦为了验证这一情况 用360面镜子 拼成一个大凹镜 烧灼了70米外的木堆 2 豪言 传阿基米德在叙拉古的王宫曾以这样的豪言评价杠杆的作用 给我一个支点 我可以撬动地球 3 鉴定王冠 传阿基米德在洗澡时发现了鉴定王冠的纯金成分的方法 并在国王和大臣面前进行了表演 意义 阿基米德的力学研究方法具有 一般 的意义 阿基米德在提出了著名的浮力定律和杠杆原理的过程中所采用的公理化方法 将实验和数学推理结合起来 成为近代甚至现代物理学研究的重要方法之一 欧几里德 约前330 前275 建立的优美的几何演绎体系 是古代数学乃至整个数学史上的最伟大成果之一 他将几何学引入到光学研究 将光学看作是几何学的一个分支 著有 反射光学 Catoptrica 确认光的直进性 并建立了光的反射定律 确定了凹面镜的聚焦点在球心或在球心与球面之间 但他却认为视觉的产生是从人眼睛发射出的光线被物反射回来的结果 二光学知识 希隆 Heron 前150 前100 用光程最短原理论证了光的反射定律 光反射时通过的路程SMS 比任何其他的路程SM S 都短 这个原则后来为费马 Fermat 所发展 1 阿里斯塔克测量 日地距离和月地距离之比 当月亮恰为半月时 日月地构成直角三角形 日 地间的直线为斜边 日 月和月 地间的直线均为直角边 他测得月 地边和日 地边之间的夹角 进而得出日 地间的距离为月 地间的距离的20倍 实际为400倍 应用 阿里斯塔克 测量日地距离和月地距离之比 埃拉多塞 约前270 前196 测量地球周长等 由于当时观测条件的限制 在阿里斯塔克的计算中 数据误差很大 但其研究方法是正确的 惊人的 2 埃拉多塞 公元前270 公元前196 用三尺长的竹竿测地球周长 埃及的尼罗河旁有两个城市赛恩和亚历山大 在塞恩有一口很深的井 夏至那天 阳光会照到井底 而阳光同时在亚历山大对竹竿将有一个投影 我们可测出 角 根据几何关系可知 AOS OS 0A为地球半径 则 启明之光 二 古希腊时期的物理进展 计算得 L 39000千米现在测量数据约为40000千米 第四节中世纪的物理学知识 一阿拉伯人的物理成就1 阿勒 哈增 965 1038 著有 光学全书 研究了眼睛的结构 如 网膜 角膜 玻璃状体 前房液 等术语均出自于他 认为视觉是光线从物体发出进入人眼所致 认为光的入射线 反射线和法线都在一个平面内 研究了球面镜 抛物镜成像问题 正确解释了太阳 月亮在地平线附近看起来较大的原因 2 阿勒 哈兹尼 12世纪人 著有 智慧秤的故事 可以测量空气中和水中物体的重量 从而编出比重表 发现了水的比重随温度的不同而不同 发现空气有重量 因而阿基米德定律在空气中也适用 指出大气的密度与高度有关 提出物质的量与重量不同 两者成正比关系 最早提出速度的概念 用路程与时间之比表示速度 二欧洲人的研究工作阿拉伯在8 9世纪开始大量翻译希腊的经典著作 从10世纪中叶开始 欧洲一些学者 将阿拉伯文的书翻译成拉丁文 到12世纪 翻译活动形成了更高的浪潮 这种翻译活动为后来的文艺复兴和科学革命准备了学术上的重要条件 另一重要事件是大学的建立 12 13世纪 在欧洲建立了牛津大学 1168 剑桥大学 1209 巴黎大学 1253 和波伦亚大学 后来人们仿照这三所大学又建立了一些大学 同时在大学内又相继成立了一大批专门的学院 这些学院对中世纪晚期学术发展发挥了重要作用 罗吉尔 培根 约1214 1294 英国人 是13世纪杰出的科学家 大胆同迷信 反动教会作斗争 是近代自然科学的先驱 他提倡 倡导实验方法研究自然他是当时唯一旗帜鲜明地主张科学实验的人 通过实验培根发现了火药的成分 发明了暗室 用光线在雨滴中的折射解释了虹的成因 提出用平凸透镜制成望远镜的设想 研究过蒸汽的作用 并预言可以造出不用人力浆的航船 不用马拉的自动行驶的车 以及能在天上飞行的装置等 重视对数学的研究实验方法和数学方法相结合是近代物理学产生的重要支柱 这种方法在西方始于阿基米德 经培根提到原则的高度 预示着近代科学即将诞生 培根的思想远远超过了他的时代 并写了很多著作 由于培根的科学思想为当时的教会所不容 在教会的严格监视下 培根在巴黎寺院里生活了10年 后来又被关进监狱14年之久 出狱后两年便与世长辞 他的主要著作 大著作 小著作 第三著作 等也没有流传 只有其中一小部分以手抄本的形式保留下来 第五节 亚里士多德的物理学1 亚里士多德 希腊 约公元前384 公元前322 出生于希腊北部的一个城邦 18岁进入柏拉图学园 并在此学习和工作了20年之久 柏拉图死后 亚里士多德离开了学园 不久到了马其顿 任宫廷教师 约在公元前342年 他成为王子亚力山大的私人教师 公元前335年 又回到雅典 创办了吕克昂学园 亚里士多德的研究很广泛 建立了一个庞大的理论体系 被称为 学术理论帝国 他系统研究了逻辑学 政治学 论理学 文学 天文学 物理学 生物学等 著述甚丰 据说上千卷 包括 形而上学 物理学 论理学 工具篇 等 被称为古希腊思想史上的 百科全书 在科学领域里起着奠基性的作用 由于他和弟子们常在散步时进行哲学讨论 所以被称为 逍遥学派 亚里士多德的物理学 二 亚里士多德的物理学 2 主要观点1 提出物理学名称的第一人 强调科学分类 2 若物体不受力 运动即停止 力是运动的原因 3 物体越重 下落速度应该越大 4 地球是宇宙的中心 太阳 行星和月亮围绕它转 亚氏观点从归纳日常生活出发 加上哲学思辩 后来发展为经院哲学 成为自然科学的障碍 亚里士多德的物理学 二 亚里士多德的物理学 经院哲学 西欧中世纪主要哲学思想的总称 因产生于天主教的学院 故称经院哲学 主张理性服从信仰 目的在于论证基督教的教条 维护教会和封建主的统治 主要代表为托马斯 阿奎那 宣扬科学的根本目的在于适应神学 1 哥白尼与 天体运行论 第谷与开普勒 2 运动学的奠基人 伽利略 3 牛顿的伟大综合和理论飞跃 4 牛顿后力学的发展 略 第三章经典力学的建立 1 哥白尼与 天体运行论 第谷与开普勒一 哥白尼与 天体运行论 二 第谷与开普勒 新芽破土 二 哥白尼与 天体运行论 哥白尼像 一 哥白尼与 天体运行论 哥白尼日心体系的提出 是自然科学向神学的第一次严正挑战 标志着自然科学从神学中独立出来 哥白尼是波兰伟大的天文学家 18岁入克拉科夫大学学习数学和天文学 1496年到文艺复兴的意大利留学 波伦亚大学天文学教授诺瓦拉 Novara 关于托勒密体系过于复杂 不符合数的谐和原则的评论 对哥白尼产生了影响 在留学期间 他还阅读了大量古希腊学者的著作 受到了其中有关地球运动的思想 阿里斯塔克 的启发 为他创立新的宇宙体系奠定了思想基础 1503年 哥白尼回到波兰后 在担任牧师职务期间坚持进行天文学观测和新的宇宙体系的研究 由于观测技术的进步 在托勒密的地心体系里必须用八十个左右的均轮和本轮才能获得同观测比较相合的结果 而且这类小轮的数目还有继续增加的趋势 哥白尼分析了托勒密体系中的行星运动 发现每个行星都有三种共同的周期运动 即 一天一周 一年一周和相当于岁差的周期运动 他认为 如果把这三种运动都归到被托勒密视为静止不动的地球身上 就可消除他的体系里不必要的复杂性 只有月球绕地球转动 恒星则在离太阳很远的一个天球面上静止不动 这样 哥白尼提出了一个以太阳为中心的宇宙体系 在这个体系中 天体从远到近的顺序是 恒星不动 土星 30年转一周 木星 12年一周 火星 2年一周 地球和月亮一年一周 金星 9个月一周 水星 80天一周等 哥白尼把统率整个宇宙的支配力量赋予太阳 而各个天体则都有其自然的运动 由于担心教会谴责 他迟迟没有公开发表自己的见解 1530年 哥白尼才将他的学说写成一个小册子 纲要 以手稿形式在友人中流传 直到1542年 在他生命垂危之际 才同意将他的主要著作 天体运行论 交付印行 并且在书的序中写明 将他的著作献给教皇保罗三世 他认为 在这位比较开明的教皇的庇护下 天体运行论 也许可以问世 除了这篇序之外 天体运行论 还有另外一篇别人写的前言 前言中说 书中的理论不一定代表行星在空间的真正运动 不过是为编算星表 预推行星的位置而想出来的一种人为的设计 应该说 哥白尼并不是一个想要彻底推翻全部传统观念的革命派 而是一个深受毕达哥拉斯学派思想影响的人 他的出发点是 考虑能否用尽可能少的匀速圆周运动的组合来构造一个宇宙体系 以符合毕达哥拉斯学派的简单 均匀等和谐思想 因此 在很大程度上可以说 哥白尼太阳中心说体系的建立 是深受毕达哥拉斯学派和谐思想影响的结果 天体运行论 出版后很少引起人们的注意 一般人不能了解 而许多天文工作者则正如奥塞安德尔所说的那样 只把这本书当作编算行星星表的一种方法 天体运行论 在出版后七十年间 虽然遭到马丁 路德的斥责 但未引起罗马教廷的注意 后因布鲁诺和伽利略公开宣传日心地动说 危及教会的思想统治 罗马教廷才开始对这些科学家加以迫害 并于公元1616年把 天体运行论 列为禁书 哥白尼的学说不仅改变了那个时代人类对宇宙的认识 而且根本动摇了欧洲中世纪宗教神学的理论基础 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 二 第谷与开普勒1 第谷 TychoBrahe 1546 1601 的天文观测丹麦人 生于贵族家庭 1576年在丹麦国王腓特烈二世资助下在哥本哈根海峡的一个小岛上修建了一座完善的天文台 测量精度较前人提高了几十倍至上百倍 在21年的观测中 各行星角位置的误差仅为2 即0 033 1 60 他将亚里士多德理论和哥白尼体系进行了折中 认为 除地球和围绕它的月亮外 其他天体都绕太阳运转 太阳率领众行星围绕地球运转 地球是静止不动的 被人誉为 星学之王 腓特烈二世逝世后 第谷失去了资助 1599年 他在布拉格得到了奥皇卢道夫的一份赠款 于是他把部分仪器搬到了布拉格 在这里 他得到了一个青年助手开普勒 他们共同进行观察 直到1601年第谷去世 第谷使用的天文仪器 新芽破土 三 第谷与开普勒 第谷的墙壁象限仪 开普勒是一个深受毕达哥拉斯和柏拉图影响的数学家 他坚信上帝是按照完美的数学原则来创造世界的 他以数学的和谐来探索宇宙体系 在1596年发表的 宇宙的秘密 中 他用古希腊人已发现的五个正多边形和当时已知的六颗行星的轨道的套迭 来解释为什么它们又有这么大小的轨道 其安排是 一个半径等于土星轨道的球内 内接一个正六面体 正六面体的内切球即为木星的轨道 在木星轨道的球内 内接一个正四面体 正四面体的内切球就是火星的轨道 火星轨道内切球内 内接一个正十二面体 其内切球正是地球的轨道 地球轨道内接球的正二十面体 内切球是金星轨道 金星轨道内接球的正八面体 内切球是水星轨道 这样的安排表现出开普勒出色的想象力和数学才能 纯粹是一种偶然性 并带有数学神秘感 但却因此引起了第谷和伽利落的注意 并被第谷召为助手 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的贡献 被后世的科学史家称为 天上的立法者 2 德