第五章近代前期自然科学的产生和第一次技术革命

第二篇近代科学技术,第五章近代前期自然科学的产生和第一次技术革命,一近代前期科学技术产生的历史背景,15世纪下半叶,西欧封建社会内部逐渐形成和发展了资本主义的生产方式,开始了人类社会的一个新时代。近代科学技术即诞生于此时。它经历了400年的发展,于19世纪末终结。和古代人们把自然界作为一个整体加以考察的方法不同,近代科学把自然界划分为不同的领域和侧面,分门别类地加以研究,逐步形成了以研究某一类自然现象为对象的自然科学各门学科。近代科学与古代科学的另一个重大区别就是它依靠科学实验来检验和发展科学理论,而不像古代学者那样只是依靠直观和哲学思辨对自然界提出种种猜测。科学实验是把自然现象从实际的自然过程或生产技术实践中抽取出来,在人为的控制下加以研究,它是近代自然科学赖以发展的一个最直接、最切近的基础。,古代科学的发展主要依赖学者的潜心研究,而技术的进步则主要依赖工匠的娴熟技巧,科学和技术两相分离的状况;与古代科学技术发展不同的是：近代科学与技术从开始相互联系,逐步走向密切结合。一方面,科学越来越自觉地以技术上的要求作为自己的研究课题,并给技术的发展指出方向；另一方面,技术上的进步也为科学发展提供日益精确的测试手段和实验装备。近代技术在自然科学的指导和推动下取得了长足的进步,实现了两次技术革命,大大地推动了社会经济的发展.,近代前期自然科学,西班牙,意大利,英国,德国,1资本主义生产方式的出现,随着资本主义生产方式的产生,在欧洲出现了航海探险活动、文艺复兴运动和宗教改革运动。这些经济活动和文化活动,为近代科学技术的产生创造了良好的社会条件。欧洲中世纪晚期,由于广泛运用包括中国四大发明在内的新技术,在封建社会内部发展起来的手工工场和商业活动导致了生产力水平的提高和商品经济的活跃,也逐渐突破了自然经济的局限,出现了资本主义生产方式的萌芽。,资本主义生产方式的出现促进了生产技术的改进,手工工场的分工和协作的发展使生产过程更加专业化,劳动技艺更加熟练,这为改进技术和使用机器创造了条件。从15世纪起,欧洲手工业各部门,如纺织业、采矿业、冶金业中都开始使用一些新式机器,或采用一些新技术,生产各种新的、大型的器件。生产工具的改革又引起了动力和传动机械的变化,水轮和风车得到普遍应用,包括曲柄和齿轮联动机构的传动装置越来越复杂。在14世纪就兴盛起来的钟表制造业为这些机械传动装置的研制提供了技术基础。此外,随着城市的发展,玻璃制造业、眼镜磨制业、造纸业等,在技术上也有很大改进。,技术上的改进给自然科学的发展开辟了道路。像水轮、风车的制造和控制、使用,就极大地推动了力学的发展;治金、纺织、玻璃和眼镜制造业的发展不仅向化学和光学提出了大量需要解决的问题,而且给自然科学的研究提供了诸如望远镜和显微镜之类的观察和实验手段。这些事实表明,资本主义生产方式产生后,经济上的需要越来越成为科学技术发展的动力。,2航海探险与地理大发现欧洲工商业的发展,使封建贵族和新兴的资产阶级都想从扩大对外贸易中得到更丰足的东方财富。15世纪初,原来东西方贸易的陆路通道由于土耳其的扩张而受阻,海路通道又为阿拉伯人所垄断,因此欧洲人试图渡过大西洋,另辟通往印度和中国的通路,掀起了远航和探险的热潮。在近一个世纪的时间里,一批又一批的探险家不屈不挠地与惊涛骇浪博斗,他们获得了一系列的地理发现。其中最重大的成就有:1492年哥伦布(14511506)发现了美洲大陆;1497年达.伽马(14601524)开辟了通往印度的新航路;15191522年麦哲伦(14801521)的船队完成了环球航行。,航海和地理发现对近代科学技术的直接推动,首先表现在航海。促进了与之有关的科学技术的发展。远航探险离不开大量的星表、星图和航海地图,而远航和地理发现的结果又给绘制和修正这些图表提供了丰富的材料,这就推动了天文学、大地测量学、地理学和数学的发展。制造舰船和大炮需要解决大量的力学、数学和技术问题,这些学科也由此得到发展。如在16世纪,三角学就从天文学中分化出来成为独立学科；为了简化计算,耐普尔(15501617）发明了对数。其次,航海和地理发现开阔了欧洲人的视野,一些前所未见、闻所未闻的自然现象丰富了他们的知识,启迪了他们的思想,从而推动科学观念上的突破和新学科的建立。,3文艺复兴运动发生于14力16世纪的欧洲文艺复兴是近代史上一次著名的思想文化运动,它从意大利开始,以后扩展到欧洲的许多国家。这一运动以复兴古希腊罗马的学术和艺术为口号,故名文艺复兴。它是要从古代文化中吸取民主思想和理性主义,造成新的世界观,以与封建的宗教世界观相抗衡。文艺复兴运动的主旨是肯定人的价值,要求运用文学艺术表达人的思想感情,主张教育要发展人的个性,社会要发挥人的才能,满足人的欲望,这些主张构成被人们称为人文主义的思潮。这股思潮有力地冲击了中世纪以来形成的教会的绝对权威,解放了人的思想。文艺复兴运动不仅造成了欧洲近代文学和艺术的繁荣,产生了大量的文学艺术史上不朽的戏剧、小说、绘画和雕刻作品,同时也有力地促进了自然科学的解放。,文艺复兴破除了人们对宗教神圣不可侵犯的迷信,培育了自由研究的精神,引导人们去观察和研究自然界。古典学术的复兴使那时的知识分子了解到古希腊罗马十分活跃的学术思想和科学技术成就,这不仅鼓舞了他们进行独立思考的勇气,而且为他们研究科学技术提供了丰富的思想营养和方法启示。为近代科学奠基的著名人物哥白尼、伽利略、维萨里和哈维等,都是在文艺复兴的氛围中成长的、通晓古典学术的大师,他们从古代人那里找到了自己学说的种子和雏形,并且敢于对抗宗教的势力,提出离经叛道的新的科学学说。文艺复兴的文学艺术代表人物还有：但丁、薄伽丘、达芬奇、塞万提寺、莎士比亚等人。,二哥白尼太阳中心说像宗教神学的挑战,1.哥白尼日心说波兰天文学家哥自尼(14731543)曾在文艺复兴运动的中心意大利留学,受到人文主义思想的熏陶和希腊古典著作的启发。他在1543年临终前发表的不朽著作天体运行论中阐述了他的日心说,其要点是:(1)地球并非静止不动的天体,也不在宇宙的中心,它是一颗普通的行星,既有自转,又围绕太阳旋转;(2）月亮绕地球旋转,并且和地球一起绕太阳旋转;行星在太阳系中的排序及绕太阳运行的周期，由近到远，分别是水星为80天，金星为9个月，地球和月亮为1年，火星为2年，木星为12年，土星为30年，处于这些行星中心的是太阳。(3）太阳处于宇宙的中心,行星在各自的圆形轨道上围绕太阳旋转,它们的轨道大致处在同一平面上,它们公转方向也是一致的。,哥白尼（14731543），文艺复兴时期波兰著名的天文学家，太阳中心说的创始人，近代天文学的奠基者。.,哥白尼的贡献及意义,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。,日心说的发表是近代科学革命的首要标志,它推翻了一千多年来占统治地位的、在中世纪被基督教神学教条化了的托勒密地心说宇宙观,描绘了一幅关于太阳系的科学图景,为近代天文学奠定了基础。尤其重要的是,这一学说宣告了神学宇宙观的破产,开始了自然科学从神学中解放出来的运动。,哥白尼太阳中心说的巨大影响和作用,1它大体描绘了太阳系的真实结构，正确说明了一些天象它是在对阿里斯塔克、毕格拉斯等人的太阳是宇宙中心的猜测进行探讨改进基础上，通过亲自观测形成的，这就结束了长达一千多年地心说和日心说的争论，将托勒密的地心说测地推翻，还天文以本来面目。它是自然科学向宗教神学的一次挑战，自然科学从此由宗教神学的禁锢中逐渐解放出来。,哥白尼的生活室,哥白尼,从哥白尼到伽利略,青春应该是：一头醒智的狮，一团智慧的火！醒智的狮，为理性的美而吼；智慧的火，为理想的美而燃。哥白尼,哥白尼“日心说”的意义是什么？,思考,改变了那个时代人类对宇宙的认识，根本上动摇了宗教神学的理论基础。,近代科学技术革命,各国为纪念哥白尼而发行的邮票,从哥白尼到伽利略,（部分）,近代科学技术革命,2布鲁诺和伽利略对哥白尼太阳中心说的捍卫和发展（1）布鲁诺的捍卫和发展日心说提出后的几十年里,经过意大利学者布鲁诺(15481600)和伽利略等人的传播,在知识界和群众中产生了巨大影响,因而引起了教会的严重不安,他们利用宗教法规迫害新学说的传播者。1584年，布鲁诺在英国出版了论无限性、宇宙和诸世界，宣传并发挥了哥白尼的太阳中心说，提出了多太阳系和宇宙无限性的思想。他认为，宇宙是无限大的，其中各个世界是无数的，太阳并不是宇宙中心，而是千万颗普通恒星之一，不仅太阳有行星，其他恒星也有行星，甚至有可以适合人居住的星球；宇宙有统一的法则，但无中心；宇宙是物质的。,1592年5月22日子夜他从英国逃亡回到威尼斯，被人告密，于当月27日被引渡给罗马宗教裁判所，并被投放进监狱受尽酷刑，1600年2月被宗教裁判所处以火刑，在罗马鲜花广场临终时说了两句话，第一局适当刽子手对他说：你的末日已经来临，还有什麽要说的时，他回答：“黑暗即将过去，黎明即将到来，真理终将战胜邪恶。”第二句是当刽子手在火刑架下燃起熊熊烈火时，他昂起头对刽子手说：“你们对我宣读判词，比我听到判词还更感到畏惧！”,伽利略（15641642），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”。,从哥白尼到伽利略,（2）伽利略的捍卫和发展,伽利略的折射式望远镜,1609年，他用自制的、可以放大30北的望远镜观察天空时发现：太阳有黑子；月亮有山谷；木星犹如一个小太阳系，有4颗卫星；还证实了哥白尼所说的金星有盈亏。这些都间接或直接地证明了哥白尼太阳中心说的正确性，打击了宗教所支持的旧宇宙观。16101613年，他将这些资料公布于是，引起了学术界的轰动。1616年罗马教廷传讯伽利略，不许他在支持哥白尼的学说，只能将有关计算和资料作为假设。伽利略表面应允，暗地里仍在作观察、试验。1632年他出版了关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话，分析了托勒密学说的不合理性，分析并用观察资料论证了哥白尼学说的科学性，支持哥白尼的太阳中心说的立场旗帜鲜明地跃然纸上。,罗马教廷非常恼火，以欺骗教廷罪再次传讯伽利略，将年近70时的在病中煎熬的伽利略押解到罗马，审讯长达50小时，受到严刑拷打并投入监狱，纵身监禁。在狱中有秘密写下了他一生中最伟大的科学巨作关于两种新科学的对话，对力学的基本原则进行了总结，不久双目失明，1642年1月8日，怀抱着这本在荷兰偷印出版的著作与世长辞。罗马教廷可以给伽利略定罪，但抹杀不了他对天文学的贡献，就连教皇乌尔班八世也不得不说：“只要木星的光芒在天空中闪烁，地球上的人就永远不会忘记伽利略。”时隔300年后，罗马教廷在世界舆论的压力下，于1979年组成了由杨振宁、丁肇中等科学家参加的审理委员会，重新审查了伽利略一案，对伽利略进行了平反昭雪。,血液循环的发现及其对宗教的冲击,与哥白尼一样向宗教神学发起冲击的还有三位生理学勇士维萨里、塞尔维特和哈维。1维萨里(Vesalius)对解剖学的新贡献维萨留斯(即维萨里，A.Vesalius1514-1564)是比利时医生，出生一个比利时医生世家，毕业于巴黎大学，后到意大利帕多瓦大学任教，主讲盖伦医学。维萨里和另外两位伟大的医学家先后建立起来血液循环学说。,比利时医生维萨里执教于意大利帕多瓦大学，主讲盖仑的医学，盖伦根据对狗和猴的解剖来描述人体结构，认为人体心脏有两个腔，当时达芬奇通过对具尸体解剖发现人的心脏有个腔，对盖仑的医学提出了异议，帕多瓦大学的许多教授都反对盖仑的观点。维萨里亲自主刀解剖人的尸体，主要是为了拿到第一手证据证明盖仑观点正缪。他经常深夜偷偷跑出学校，去绞刑架背尸体，回来解剖。通过解剖，发现盖仑医学中200多处错误，并且按照系统重新描述了人体的结构。解剖证明：男人和女人具有形同数量的肋骨24根，没有什麽永不毁灭的“复活骨”。1543年出版了人体构造艺术，该书指出人的心脏有四个房室，为血液循环学说的建立奠定了科学基础。,由于维萨留斯的医学实践否定了宗教对人体的神话，遭到了宗教和世俗两方面的攻击和反对，被迫离开了帕多瓦大学，移居西班牙，当了西班牙王室的御医。1563年，宗教势力设计暗害他，由于西班牙国王的周旋，方改为让他去耶路撒冷朝拜，以赎“故意杀人”之罪，在朝拜途中，维萨留斯因得重病，死在希腊的一个小岛上，时年50岁。,背景链接：盖仑（Galen公元129-199）是罗马时期医学界的权威，他集古代医学知识之大成，把医学知识系统化，建立了古代医学体系，他的医学思想统治了1500年之久，那个时期其他国家到意大利的留学人员主要学习的就是盖仑医学。他在医学上的主要成就有：1.他十分注重直接观察，反对只从书本上学习知识，他从事过解剖研究，由于当时的统治者不允许解剖人体，所以他解剖的对象是猕猴。他将解剖学同他发展了的毕达格拉斯派的“三魂论”（即三种灵魂都靠三种灵气：自然灵气、活力灵气和灵魂灵气，这三种令其存在于人的消化系统、呼吸系统和神经系统之中）结合起来，描述了一幅人体生理图像：人自食物中摄取的营养物质，首先进入肝脏变成深红色的静脉血，静脉血再靠“自然灵气”的推动经过右心室流向全身，然后又从原路返回心脏；静脉血的一部分穿过心室中隔渗透到左心室，并同来自肺部的活力灵气相通转变成鲜红的的动脉血，动脉血,受“活力灵气”的推动循着动脉流向全身，也从原路返回心脏；流经大脑的那部分动脉血中的“活力灵气”在大脑中转变成”灵魂灵气“，这种灵气经由神经系统通至全身，支配人体各部分的感觉和运动。尽管盖仑的学说是无根据的臆测，含有许多谬误，但也是对人体最早的全面认识。2.他对神经生理学也做了比较深入的研究，将神经分为运动神经、感觉神经和混合神经三大类。3.他对药物学也有研究，他在著作中极窄植物性药物540种，动物性药物180种，矿物性药物100种。盖仑医学虽然有谬误，但也不乏具有很大的使用价值，这就是他的医学理论统治地位达1500年之久的原因。,2塞尔维特发现血液小循环塞尔维特（Servetus,1511-1553）西班牙医生，毕业于巴黎大学，是维萨留斯的同学。它通过对人体解剖生理学的研究，发现了血液小循环（心肺循环）。1553年，出版了基督教的复兴一书，书中用6页篇幅详细地阐述了人体血液小循环（肺循环）的机理：血液从右心室流出，经过肺动脉支管运送到肺，在肺组织内得到清洗净化，然后通过肺静脉流入左心房。,由于塞尔维特也坚持人体解剖，违背了宗教禁令，批判了宗教权威，参与宗教纠纷，亵渎了圣经，受到了新教、旧教的一致反对，新教说他是异端，旧教说他比新教还厉害，就这样，当他快要发现整个血液循环真相时，因异端罪被革除教籍，处以死刑。第一次执刑时，赛尔维特逃跑了，只烧了一个象征性的稻草人。第二次被宗教裁判所逮捕，与1553年10月27日被送往火刑场，脖子上还带了一个渍有硫磺的花环，并挂有基督教的复兴一书，加尔文教在火刑执行时先活活烤了他两个小时，最后被活活烧死。,3.哈维确立血液循环理论哈维（15781657）是英国生理学家，出生在英国法克斯顿一个较富裕的小绅士家庭，从小聪明好学，16岁时因学习成绩优异，免费进入剑桥大学学习医学，1597年留学意大利帕多瓦大学攻读博士学位，24岁回国，先是一名开业医生，后来先后成为英国国王詹姆斯一世和查理一世的御医，与查里一世关系很好。哈维的解剖实验得到了国王的支持，并向他提供方便条件。他解剖70多种动物，并根据解剖动物，观察心脏波动，发现左心室血量约为2英两；因为心室间有瓣（他的老师法布里克发现），故左心室收缩时血液只能排出不能倒流；心脏每分钟大约跳动72次，一小时心脏排出的血量为27260=8640英两，约540磅，相当于人体重量的1.5倍，这麽多的血不可能在1小时之内在肝脏中制造出来，也不可能这麽快就在肢体末端吸收掉。这麽多的血液是从哪里来，又到哪里去了呢？哈维意识到，唯一的可能就是血液在全身沿着一条闭合路线循环流动。这个循环路线就是从右心室流出的静脉血经过肺部变为动脉血，然后通过左心房进入左心室；从左心室搏出的动脉血，沿动脉到达全身，然后再沿静脉回到心脏。他还预言：在动脉和静脉的末端必定有一种微小的通道（毛细血管）把两者连接起来，这就是血液大循环。,人体血液循环系统示意图.htm,1628年，哈维出版了动物的心血运动及解剖学研究，阐明了他的解剖学理论。由于哈维发现了血液的大循环，并开创了活体解剖实验法，奠定了生物学发展的基础，是生理学成为一门科学，他本人被誉为“近代生理学之父”。,小资料：帕多瓦大学意大利的帕多瓦大学建于1222年。16世纪17世纪蜚声欧洲，盛极一时。帕多瓦大学为文艺复兴的发源地，培养出许多流芳百世的巨人。著名的物理学之父伽利略就是该校的教授；发现血液循环的英国名医哈维，在那里攻读博士学位；解剖学鼻祖比利时名医维萨里在那里执教，他首创亲自在讲台上解剖尸体，为躲避教会当局的搜查，他在讲台下设有地洞和小船，一旦发生意外，尸体由小船从地下河道运走。,四、经典力学体系的形成,前言:自然科学从宗教神学的禁锢中解放出来,首先发展并成熟起来、形成独立体系的是经典力学.其原因主要有三方面.,第二，受天文学发展的影响.托勒密地心说和哥白尼太阳中心说都说明行星绕一个中心转动,但是这些行星为什么既不掉下来,也不飞走,还不相撞,是什么力量的作用?这就引起了科学家们的思考.,第一，资本主义发展的需要.如:开矿、建筑、机械制造、航海等需要静力学、动力学、流体力学.,（1）伽利略简介:伽利略（15641642)生于意大利的比萨.巧合的是在他出世后三天文艺复兴时期著名的艺术家米开朗基罗逝世.伽利略的父亲是当时一位著名的音乐家和数学家,他的学术研究对伽利略产生很大影响,但他却希望儿子学医而不是数学.1581年伽利略被送到比萨大学学习医学.1583年,由于听了几次关于欧几里得几何学的演讲,伽利略很快对数学着迷.由于他执意不学医学,所以未取得学位就于1585年离开了比萨大学.,第三，力学比较简单、直观,符合人们由简单到复杂的认识规律.,1.伽利略的力学研究,伽利略倾心于研究欧几里得的几何学和阿基米德的物理学,很快声名远扬,朋友们都称他为“新时代的阿基米德”.1632年,伽利略的著作关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话出版问世,但很快遭到罗马教会的查禁.1633年教会判处他终身监禁,此后一直在受监视之下在佛罗伦萨城外阿切特里的一幢别墅里。在这里,他继续他的力学研究.并致力于另外一部著作两门新科学的撰写,终于在1638年于荷兰的莱顿出版.此时他已双目失明.1642年1月9日在阿切特里的别墅里安然去世.现在伽利略被尊称为“近代物理学之父”.,（2）伽利略对经典力学的贡献,(A.发现了自由落体定律:在伽利略时代人们对物体下落的认识还停留在亚里士多德的重物体比轻物体下落得快的水平,伽利略认为亚里士多德的观点是错误的,但要推翻这个错误结论必须进行证明.,a逻辑证明,伽利略所做的推理大前提是:重物比轻物下落得快.假如把两个物体捆在一起,让它在与原来分别下落的相同条件下自由下落,那么,原来较轻的物体将会延缓较重物体的下落速度,也就是说这个复合体必然比原来较重的物体下落得慢（较轻的物体拖累较重的物体，使复合体下降得更慢）.,另外按照亚里士多德的观点,还可以得出另一个结论:复合体比原来的较重物体下落得快.,可见,按照亚里士多德的物体下落速度与重量成正比的规定,将会产生自相矛盾的结果,因此亚里士多德的观点是错误的.,轻,重,重,重,结论一,结论二,复合体慢于较重物体,复合体快于较重物体,b实验证明,斯台文的实验(定性):斯台文(15481620)是荷兰工程师.他在伽利略之前作了一个反对亚里士多德观点的实验.,实验过程:取两个铅球,其重量一个是另一个10倍,把它们从30英尺高同时丢下,落在一块木板上,它们发出的声音听上去就象一个声音一样,这个实验结果就说明了不同重量的物体下落的速度是一样的,从而否定了亚里士多德的观点.,实验过程:取两个铅球,其重量一个是另一个10倍,把它们从30英尺高同时丢下,落在一块木板上,它们发出的声音听上去就象一个声音一样,这个实验结果就说明了不同重量的物体下落的速度是一样的,从而否定了亚里士多德的观点.,斯台文实验的示意图,g,10g,30英尺,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。,各国教材普遍说法是伽利略所做的两个铁球同时落地实验：,伽利略做了比萨斜塔实验了吗？,请同学们思考：按照伽利略对阿基米德定律的理解和数学研究的能力，他是否可能作此实验？,第16课近代科学技术革命,？伽利略没做比萨斜塔实验两球同时落地也并非事实.htm,伽利略的实验(定量):1609年伽利略设计了一个斜面实验.实验器材是一块长约6米,宽约4厘米,厚2530厘米的木板,用其造成一个斜面.木板上刻有一条宽约1厘米磨得十分光滑的槽.另外还有若干个不同重量的小铜球.,实验过程:让不同重量的小铜球分别沿斜面上的槽滚下,记下每单位时间内小球滚过的距离.通过各种倾斜度的反复实验,伽利略发现,不论是大球或小球,轻球或重球,在同样的时间内都滚过同样的距离.而且还总结出了时间t与距离s之间的的关系,即:,以上就是自由落体定律.,实验结论:在摩擦忽略不计的情况下,物体沿同一高度、不同倾斜度的斜面到达底端所需的时间相同,它们的末速度相同.因此,从同一高度下落的物体必将同时落地,与它们的重量无关,进而证明亚里士多德的重物体比轻物体先落地的观点是错误的.,伽利略实验的示意图,(2)发现了惯性运动,斜面实验发现:球滚下一个斜面后,可以滚上另一个斜面,如果把途中的摩擦力可以忽略不计的话,这个球可以滚到和出发点一样的高度,而与斜面的倾斜度无关;如果把后一个斜面放到水平位置,这个球就以匀速在这个面上滚下去,就这样伽利略又发现了惯性运动,推翻了亚里士多德关于物体运动必须有力连续作用的观点.,惯性运动的发现证明了物体不仅有保持其静止状态不变的的特性,而且有保持其匀速直线运动状态不变的特性.,结论：物体维持其原来的运动状态,并不需要外力,外力是改变其原有运动状态的原因.（同学们思考一下，这一结论存在的条件是什么）,伽利略用几何方法证明:平抛运动可以分解为两种运动:一是水平面方向的匀速直线运动,根据惯性原理,它使物体始终保持这一运动不变.另一个是在引力作用下,沿垂直方向上的自由落体运动,这一运动使物体在这个方向上的速度按时间成正比例地增加.这两种运动综合起来,便得出路程为抛物线状.他还证明了为什么在抛射角为45时射程最远.,匀速直线运动,自由落体运动,2.开普勒对天体之间作用力的研究,(1)开普勒简介:开普勒(15711630)生于德国南部瓦尔城.家境贫寒.父亲是位职业军人,祖父曾当过市长.小时候得过天花和猩红热,使得手、眼等落下了轻度残疾.,开普勒年轻时进图宾根大学学习，指望将来当一个牧师.求学期间,他显示出了出众的数学才华.图宾根大学的天文学教授麦斯特林(15501631)是一位哥白尼学说的同情者.开普勒就是从他那里得知哥白尼学说,并立即成为哥白尼的拥护者的.毕业后他来到了奥地利,在格拉茨大学任数学和天文学讲师.,在奥地利期间他致力于探测六大行星轨道大小之间的关系,围绕这个问题展开了多方面的研究.1596年,开普勒把他的所有研究成果及构想写在宇宙的奥秘一书中.该书引起了丹麦物理学家第谷(15461601)的重视.1600年邀请他到布拉格观察台工作,当他的助手.可惜的是他们相处没多久,第谷就去世了.临终前第谷告诫开普勒:一定要尊重观测事实.,(2)开普勒的研究成果:开普勒三定律.主要研究方法就是:在尊重事实的基础上进行数学计算.,第一定律:一切行星都沿各自的椭圆轨道运行,太阳在该椭圆的一个焦点上.,第二定律:对任何一个行星,它和太阳连线在相等的时间内总是扫过相等的面积.,第三定律:每个行星的椭圆轨道的半长轴的立方跟公转周期的平方的比值都相等,即,太阳与行星,t,t,S1,S2,a,S1=S2,第一定律,图1,图2,图3,(3)开普勒成功的原因:开普勒将椭圆的概念引入天文学,这就给希腊古典天文学画上了句号.即:天体作完美的匀速圆周运动的观点是错误的。,以椭圆代替正圆是宇宙学史上划时代的事件.爱因斯坦对此给予了深刻的评价,他说:“开普勒的惊人成就,是证实下面这条真理的一个特别美妙的例子,这条真理是:知识不能单从经验中得出,而只能从理智的发明同观察到的事实两者的比较中得出。”,原因分析,第一:开普勒善于理论思维,具有丰富的想象力,开普勒不满足于资料的收集,而着眼于从中作出发现,他凭借丰富的想象力和理论思维,把观察资料与数学结合起来,建立起数学模型.,第二:严谨治学,勇于创新.,当他在研究火星运动的真实轨道时,发现第谷对火星运动的观察值与按照哥白尼学说推算出的值有0.133(即约8)差数.他相信第谷的观察无误,也相信自己的计算,那么问题出在哪呢?他认为问题就出在轨道可能不是正圆上,于是他便大胆地改用椭圆进行计算,结果与观察值完全吻合.,第三:具有坚韧不拔的毅力和吃苦耐劳的精神.,开普勒家境清贫,生活十分贫困,能坚持几十年做大量的数学计算工作,最终作出重大发现,若没有顽强的毅力和吃苦耐劳的精神是不可想象的.,是什么力量维持着行星绕着太阳旋转?,3.万有引力定律的发现,（1）惠更斯的工作,a.惠更斯简介:惠更斯(16291695)生于荷兰海牙的一个政府要员之家,年轻时进莱顿大学学习,受过良好的教育,在数学上有出众的天才.是英国皇家学会的外籍会员,独身一生,在科学上有很多成就,牛顿称他是尽善尽美的科学家.,(2)科学成就简介:,1650年起与其弟用新法研磨球面透镜，1655年作出的望远镜质量优良，用它发现了土星光环和土卫六、猎户座星云等。他深入研究了几何光学理论和应用光学技术，例如折射定律及折射率、眼睛及眼镜片、透镜的放大率、焦深、球差与色差及其消除，以及改进望远镜与显微镜等等。他发明的目镜效果良好，被称为惠更斯目镜，至今通用。,次年,他用这架望远镜发现了猎户座星云,还发现了土星光环以及土卫,土星光环,水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星,土卫六,土星,力学方面：摆的研究,惠更斯继承了伽利略关于摆的研究，他发现单摆只是近似等时，真正等时的摆动轨迹不应是一段圆弧而应是一段摆弧。,将这个发现运用于设计之中,惠更斯于1656年造出了人类第一架摆钟.惠更斯将这第一台“有摆落地大钟”献给了荷兰政府.,只要把这个公式与开普勒的行星运动三定律联系起来，就有可能早于牛顿发现万有引力定律。但是惠更斯没有这样做。,另外通过对摆的研究，发现了物体保持圆周运动需要一个向心力，并得出了向心加速度公式。,(2)胡克的工作,A.胡克简介:胡克(16351703)是英国物理学家和天文学家.他出生于英国威特岛,1653年进入牛津基督教会学院读书，在那里遇到了化学家、物理学家玻意耳1655年玻意耳请胡克当他的实验室助手.胡克在力学、光学、天文学方面都做出了重大贡献。他同天文学家哈雷(16321723)都是英国皇家学会中引力委员会的成员,与牛顿一道开展引力问题研究.胡克长期从事物理学和天文学研究,并自制仪器.他曾根据弹簧实验的结果,提出了胡克定律.用自制的显微镜发现了植物细胞，起名叫“cell”,一直沿用至今.1703年3月3日在伦敦逝世,胡克定律:在弹性限度内，弹簧的弹力f和弹簧的伸长或缩短的长度x成正比，即f=-kx。k是物质的弹性系数，它由材料的性质所决定，负号表示弹簧所产生的弹力与其伸长（或压缩）的方向相反。,.胡克关于万有引力的研究,1674年,胡克在从观察角度证明地球周年运动的尝试一文中，提出了关于天体引力问题的三个假设：任何天体都有朝向自身中心的引力；所有物体只要它们作一个方向的简单运动，都将保持其直线运动状态，直至受到其它有效的力作用方可改变其运动轨道，显然天体在不受外力作用下，其轨道不变；离引力中心越近,引力越大.,.胡克的遗憾:后来,胡克又认识到力和距离的平方成反比,这个结果已接近发现万有引力定律,只是由于数学知识不够而丧失了发现的优先权.,（3）牛顿对万有引力定律的贡献,.牛顿简介:牛顿(16421727)出生在英国林肯郡艾尔斯索普村一个小农庄主家庭,是个遗腹子.在舅父的资助下读书,18岁免费进入剑桥大学学习,21岁成为著名数学教授巴罗(16301677)的研究生.从事力学和光学的研究工作,独身一生.,牛顿的经典力学,牛顿的贡献及意义,牛顿（16421727），英国物理学家、天文学家和数学家，出生于英国的林肯郡。,著名物理学家牛顿发明了第一架反射望远镜。,第16课近代科学技术革命,牛顿科学成就简介:,在数学上他发明了微积分.在天文学上他发现了万有引力定律,开辟了天文学的新纪元.在力学中他系统总结了三大运动定律,创造了完整的牛顿力学体系.在光学中他发现了太阳光的光谱,发明了反射式望远镜.,牛顿对万有引力定律的贡献,a.地球对月球引力的研究:本质上就是重力,地球,月球,地球的引力,b.万有引力的发现,第一,牛顿根据开普勒行星运动第一定律和伽利略的惯性定律,认为行星若以椭圆轨道绕日运行,而不是匀速直线运动,就得连续不断地改变方向,因而必须有力连续作用其上.,第二,牛顿用数学方法证明了开普勒的第二定律,即如果面积、速度是常量,行星与太阳的连线在相等时间内所扫过的面积相等的话,那麽那个连续作用于行星的力,就是沿着径向方向的向心力.,第三,牛顿根据开普勒的第三定律,联系惠更斯的向心加速度公式,证明了向心力的大小与行星到太阳的距离的平方成反比.,第四,牛顿又假定:这一引力的大小不仅与物体间的距离平方成反比,而且与两个物体的质量的乘积成正比,用公式可以表示成:,c.牛顿在发现万有引力定律中的特殊功绩,第一:他把其他科学家以为只是局部天体之间的引力作用推广到宇宙中一切具有质量的物体之间;,第二,从理论上精确计算出这种引力的大小;,第三,证明了任何两个物体间的万有引力可以看作集中作用于物体的质点上;,第四,从万有引力定律可以推出行星运动的三定律.,(4)牛顿对经典力学的综合,经典力学体系的建立:1687年出版了自然哲学的数学原理，第一次把地面力学和天体力学统一起来，建立起了经典力学体系.,自然哲学的数学原理,1687年，牛顿出版