科学技术史（第2版） 第二篇 课件 第十章 理解天体和地上物体的运动

第十章理解天体和地上物体的运动目录/CONTENT重新安排宇宙

开普勒定律伽利略的研究

牛顿的综合太阳系演化的星云说

提丢斯波得定则赫歇耳对银河的研究

海王星的发现数学描述运动

力学的发展重新安排宇宙波兰青年哥白尼于1496年来到意大利的艺术中心波伦亚，成为波伦亚大学天文学教授诺瓦腊的学生。哥白尼在意大利读了他能找到的所有古代哲学著作，并和老师进行了天文观测。1543年，哥白尼的《天体运行论》终于出版了。这本书引起了一场巨大、持久、深刻的科学革命，使人类重新认识了宇宙、地球、物体的运动，乃至自身在宇宙中的位置。哥白尼哥白尼天文学体系的数学形式极为简单，它第一次正确地描述了水星、金星、地球和月亮、火星、土星、木星轨道实际相对于太阳的顺序，指出它们的轨道大致在一个平面上，公转方向也是一致的，月球是地球的卫星，和地球一起绕日旋转。根据这个理论假设，哥白尼成功地解释了天球、太阳、月球的周日视运动，太阳和行星的周年视运动，以及行星顺行、逆行、留的现象和岁差。哥白尼天文学体系最先，生于诺拉的意大利哲学家布鲁诺接受了哥白尼的学说。他显然比哥白尼更激进，认为太阳也不是宇宙的中心，无垠的宇宙没有中心。但新教和天主教会均不能接受他的观点。布鲁诺30岁时在日内瓦因反对加尔文教派而入狱，1592年回意大利后被宗教裁判所监禁。他本来可以选择放弃自己的观点而获释，但却没有这样做。1600年，布鲁诺被烧死在罗马鲜花广场，为坚持自己的信念付出了生命的代价。布鲁诺开普勒定律丹麦人第谷·布拉赫是一位著名的天文学家，据说他13岁在哥本哈根大学读书时就预见了一次日食，这使他名声大振。后收德国人开普勒为弟子。开普勒发现火星的轨道是一个椭圆。他把这一发现推广到所有行星，发现了开普勒行星三定律：椭圆轨道定律、面积（速度）定律和周期定律。开普勒伽利略的研究伽利略最初的科学兴趣是在力学方面。1597年，伽利略从开普勒那里了解了哥白尼的学说，便对天空产生了兴趣。他动手制造了一架望远镜，在天空看到了激动人心的景象：月面上的山丘和凹坑，木星的四颗卫星，金星的盈亏，太阳的黑子和自转，茫茫银河中的无数恒星。1632年，他征得佛罗伦萨宗教法官的许可，出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，给他带来了教廷的申斥，他被判处终身监禁。伽利略在科学史上，伽利略的最大贡献在力学方面。他对阿基米德产生了极大的兴趣。基于对杠杆、斜面、平衡等问题的研究，以及对磨坊的粉碎机、扬水机、钟等机械的探讨，伽利略在帕多瓦大学讲授了机械学。伽利略的另一个重要发现是落体定律。伽利略还有一个重要发现是运动叠加原理。伽利略月球观测手稿牛顿的综合1665—1666年，牛顿发现了二项式定理和流数法，并开始用三棱镜做光的实验，将太阳光分解为七色光，又还原成白光，完成了论文《光与色的理论》。牛顿还制造了反射望远镜，并被选为英国皇家学会会员，流数法也得到了发展。他还结识了许多科学界的朋友。牛顿1687年，哈雷用自己的钱资助，学会出版了牛顿的著作《自然哲学的数学原理》。这本书被公认为是科学史上最伟大的著作。在对当代和后代思想的影响上，没有任何作品可与之相比。它成了理论力学、天文学和宇宙学不可超越的理论基石。这本书包括了牛顿在力学、数学和天文学方面最重要的成就。全书的核心是牛顿力学三定律——惯性定律、加速度定律、作用与反作用定律，以及万有引力定律。牛顿如果说哥白尼只是回答了“是什么（太阳还是地球）在运动”的问题，开普勒和伽利略也只是回答了“天体和物体如何运动”的问题，牛顿则回答了“物体为什么按规律运动”的问题。牛顿明确定义的质量、动量和他的定律中的时间和空间概念，对欧洲的哲学也产生了深刻影响。牛顿在晚年把研究的兴趣和精力越来越多地转向《圣经》和宗教。牛顿太阳系演化的星云说1755年，东普鲁士哲学家康德出版了他的《宇宙发展史概论》。年轻的康德用牛顿力学的原理解决了牛顿最后所困惑的太阳系初始运动问题。1796年，法国人拉普拉斯在他的《宇宙体系论》中独立地提出了类似观点，使康德的观点受到更多重视。康德提丢斯波得定则1766年，德国天文学家提丢斯在比较了太阳系各行星轨道后发现：各行星距太阳的平均距离服从0

4+0

3×2n天文单位这样一种数学关系。提丢斯波得定则的发现反映了太阳系结构的数学完美性，使人们在开普勒、牛顿理论的基础上丰富和加深了对太阳系的认识。提丢斯赫歇耳对银河的研究赫歇耳生于当时英国管辖的德国北部汉诺威，是当时最有影响的天文学家。他认为：银河系是由一层恒星组成的，形状像一只边缘有裂缝的凸透镜，其直径约为厚度的5倍，太阳系就位于银河系中央平面上离开银核不远的地方。赫歇耳还发现太阳在银河系中也有自行，它朝着武仙座λ星附近运动着，是银河无数星系中的匆匆过客之一。赫歇耳海王星的发现1821年，德国人布瓦尔德发现天王星的运行轨道不是完美的椭圆。贝塞尔提出，在天王星附近可能有一颗未知行星干扰其运动。1845年，英国剑桥大学的亚当斯根据万有引力定律和天王星的已知轨道算出了未知行星的位置。1846年，法国人勒威耶根据同样的计算方法得出了未知行星的位置，柏林天文台台长伽勒接到勒威耶的来信后立即观察，发现了一颗新的行星——海王星。海王星数学描述运动古代的数学都是常量数学（几何学和代数学）。微积分的发明把变量带进了数学。变量意味着运动，所以，微积分是描述运动过程的数学。微积分产生的前提有两个：几何坐标和函数概念。法国人费马和笛卡尔在创立几何坐标方面贡献最大。其中笛卡尔把函数概念带进了数学，他把几何图形（直线和曲线）看作依一定函数关系运动的点的轨迹。费马与微积分几乎同时发展起来的重要数学分支还有级数理论和微分方程，包括常微分方程和偏微分方程。其中，级数是把函数展开成多项式形式的数学方法。1712年，英国人泰勒提出了著名的“泰勒级数”。最先明确注意到微分方程的人是惠更斯和莱布尼茨，但真正对这个重要分支做出贡献并开创了这个学科的是瑞士巴塞尔的伯努利家族中的雅科布·伯努利）、约翰·伯努利及其学生罗比塔和欧拉、丹尼尔·伯努利等人。莱布尼茨力学的发展力学是研究机械运动的学科。理论力学的内容有静力学、动力学和运动学，另外还有固体力学、流体力学等分支学科。古希腊人阿基米德总结了古代静力学的知识，他写了《论浮体》一书，发现了杠杆定律，提出了平行力合成、分解的理论和重心学说，奠定了静力学的基础。达·芬奇、荷兰人史蒂文、法国人罗伯瓦尔等人的研究使力的平行四边形定律理论最后形成。阿基米德伽利略对惯性运动、炮弹等抛射体运动的研究是动力学的开始，牛顿的三大定律和万有引力定律以及他严格定义的一系列力学基本概念奠定了古典力学的基础。胡克定律则是近代固体力学中弹性力学的开始。法国人帕斯卡（1623—1662）得知后在里昂做了新的实验，解释了大气压和水银柱的平衡关系，发现了连通器原理和密闭流体能传递压力的帕斯卡定律。帕斯卡19世纪上半叶，由于工业革命中机器的广泛应用，在对机器效率的研究中形成了“功”和“能”的概念。这一时期发现的能量守恒与转化定律影响了力学的许多学科，同时，力学中又增加了动能和势能守恒原理、动量守恒原理和动量矩守恒原理等。19世纪后半叶，英国人劳斯于1877年在拉格朗日研究的基础上开始了对运动稳定性的研究。李雅普诺夫小

结康德和拉普拉斯提出星云说，想解决太阳系初始运动问题。提丢斯波得定则说明行星到太阳的距离有数学关系，但后来按牛顿理论预言发现的海王星，其位置却不符合这个定则。赫歇耳发现了银河系的结构、太阳在银河系的位置及其运动。哥白尼临终出版《天体运行论》，复活了古代的日心说。布鲁诺最先接受哥白尼学说。后来开普勒在第谷的观测数据基础上发现行星绕日运动三定律。伽利略用望远镜观察月亮、太阳、木星等，以事实支持哥白尼学说，但他受到教廷的迫害。思考题1、哥白尼学说的要点是什么？

试论这一学说产生的意义。2、伽利略在天文学、力学方面各有什么贡献？3、开普勒发现了哪三条定律？4、牛顿力学三定律和万有引力定律的内容是什么？牛顿学说的产生有何意义？5、哥白尼、开普勒和伽利略、牛顿、康德和拉普拉斯等人的天文学研究之间有什么关系？6、海王星的发现有什么意义？7、什么是提丢斯波得定则？8、了解赫歇耳在天文观测方面的成就及意义。9、微积分的发明在数学史上有何意义？10、了解微积分发明初期关于其基础的争论。11、了解近代力学的发展线索。延伸阅读1、［波兰］尼古拉·哥白尼：《天体运行论》，叶式辉译，易照华校，武汉出版社，1992。2、［法］亚历山大·柯瓦雷：《伽利略研究》，刘胜利译，北京大学出版社，2008。3、龚时中编著：《牛顿传》，湖北辞书出版社，1998。4、［英］伊萨克·牛顿：《自然哲学之数学原理》，王克迪译，袁江洋校，武汉出版社，1992。5、［英］米歇尔