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1、第三章近代科学技术教学目标：掌握牛顿力学体系的建立过程，第一次技术革命，19世纪自然科学三大发现，第二次技术革命；熟悉近代科学的崛起过程，哥白尼日心说,伽利略的理想实验；了解牛顿万有引力定律，热力学第二定律。教学重点：牛顿力学体系的建立过程，达尔文进化论，第一、二次技术革命。教学难点：牛顿万有引力定律，热力学第二定律。教学方法与手段：讲授法，多媒体辅助。本章主要阅读文献资料：吴国盛著，科学的历程，北京：北京大学出版社2002年10月版。第一节近代科学诞生一、近代科学革命（一）哥白尼革命1 .生平：哥白尼（1473T543）生于波兰，早年在波仑亚大学、帕多瓦大学学习过法律、医学、神学。1512年
2、后担任神职人员达30年，业余时间从事天文观测和研究。1543年天体运行论问世，出版后不久作者去世。跟现代的误传相反，罗马教廷最初没有太关注日心说，而且据麦克莱伦，1551年天文学家赖因霍尔德根据哥白尼原理制定了普鲁士表，1582年制定的格里高利历就是根据该表修订的。后来布鲁诺和伽利略公开宣传日心说，危及了教会的统治，罗马教廷于公元1616年把天体运行论列为禁书。2 .日心说：太阳是宇宙的中心，行星都绕太阳运转，地球是围绕太阳运转的一颗普通行星，本身在自转着；月球是地球的卫星，地球带着月球绕日运行，行星在太阳系中的排列次序是土、木、火、地、金、水，它们的绕日周期分别为30年、12年、2年、1年、
3、9个月、80天（后来精确测量为88天）；恒星固定在天球上。拯救现象的传统：天体周日运动、太阳周年运动、月球周月运动轨迹明显都是圆，可是行星的运动以恒星为背景观测的话,在长达数月的时间内会出现变慢、停止、后退，再停止、再向前的现象，在天空划出一个大扁环。柏拉图要求天文学家拯救这些现象，在行星运动为匀速圆周运动的前提下，解释观察到的现象，这是从柏拉图时代到哥白尼时代，天文学家要解释的中心问题之一。哥白尼日心说也遵循了这种传统，他保留了水晶天球的概念和正圆形轨道的概念。天体运行论扉页上的一句话：“不懂几何学者莫入。”它面临两大难题：恒星视差和地动抛物。哥白尼的解释不是太有力。其中恒星视差的解释和阿利
4、斯塔克（Aristarchus,前310-230）的解释一样。恒星周年视差在19世纪上半叶才被天文学家发现。这个尺度在0.25角秒左右，相当于在20公里开外看一枚硬币。3 .对立面托勒密地心说。反对理由之一：如果地球高速旋转，它会分裂为碎片。亚里士多德的运动学和常识。亚氏认为物质的基本元素包括四种：土、水、火、气。新教。马丁路德在得知哥白尼学说以后，对哥白尼胆敢违抗圣经的行为表示公开的反对，并指责哥白尼说：“这位新奇的天文学家，企图证明旋转着的是地球，而不是天体、太阳和月亮。只有傻瓜才想把整个天文学连底都翻过来。圣经上明明写着，约书亚喝令其停止不动的是太阳而不是地球（旧约约书亚记第十章12节”
5、（二）开普勒：天空立法者开普勒（Keplerl571-1630）是丹麦天文学家第谷（1546T601）的学生。他在第谷去世前两年担任第谷的助手，最初试图建立行星（火星）的圆形轨道，但没有成功，开普勒1609年出版的新天文学、1618年出版的哥白尼天文学概论，先后公布了行星运动三定律：第一定律（轨道定律）：所有行星都沿椭圆轨道运行，太阳位于这些椭圆的一个焦点上。滂二定律（面积定律）：太阳至行星的连线在相等的时间内扫过相等的面积。第三定律（周期定律）：行星绕太阳公转一周的时间（运行周期）的平方同轨道长半轴的立方成正比。至此太阳系概念牢牢建立,托勒密和哥白尼的均轮和本轮被彻底清除。1627年开普勒完
6、成第谷的意愿，出版了鲁道夫星表，该星表在此后的百余年中一直被天文学家和航海家奉为经典。（三）伽利略：近代物理学之父1 .生平：伽利略（1564-1642）生于意大利比萨,早年在比萨大学学习医学，由于对数学感兴趣，没有拿到学位就于1585年离开了学校，潜心研究欧几里德几何学和阿基米德物理学，1589年获得比萨大学数学教授职位。是经典力学的奠基人，发现了自由落体定律、惯性原理和抛射体的运动规律，并深入地研究摆的等时性运动。他1610年写成星际信使一书，认同哥白尼观点，后来公开支持日心说。1632年发表关于两大世界体系的对话并因此书惹祸，被罗马宗教裁判所逮捕，1633年6月22日强迫悔过,接着被判终
7、身监禁。7月入狱，12月后被移送到佛罗伦萨附近的家中。虽然已经半盲,仍继续科学研究，1638年出版了关于两种新科学的谈话（DiscoursesonTwoNewSciences）o2 .天文学贡献。伽利略1609年用自制的望远镜观测太空，但是当时的大多数哲学家和天文学家对望远镜看到的现象持嘲笑态度，认为伽利略弄虚作假。顽固的学者甚至拒绝用望远镜看天空。他的观测打破了以前“月亮是完美无缺的”观念。不过伽利略拒绝把他的动力学原理从地面推广到太空，他仍然认为天做完美的正圆运动，不会做惯性运动。3 .科学理论和方法的贡献。关于落体运动、惯性运动的研究。（这两种研究都是依据斜而实验）。惯性原理一一“物体沿
8、水平面运动，没有任何阻力时，那么它的运动是均匀和永无止境的，只要平面在空间中是无限的话。”“任何物体都不能自己变换运动状态”。（关于两种新科学的谈话）传说中（虚构）的比萨斜塔实验和实际的斜面实验。伽利略是近代科学方法的创立者，他一方面将实验对象和操作过程加以理想化，通过人为的控制减少非必要因素的干扰，使自然过程更加纯化，从而创立了真正的科学实验方法，另一方面在把实验方法和科学方法结合中，尤其注重分析过程，同时对数学赋予了确定的物理意义，使实验数学方法更加成熟、完善。伽利略因此被称为近代物理学之父。二、牛顿力学的建立（一）牛顿生平牛顿：“如果我比别人看得远些，那是因为我站在巨人们的肩膀上。”牛顿
9、（1643-1727）出生于英国林肯郡伍尔索普乡村。1661年入剑桥大学三一学院学习。16657666回乡躲避瘟疫，他的天才成就在这个时期奠定了基础。1671年皇家学会会员，1687年发表自然哲学的数学原理。1699造币厂厂长，1703年当选为皇家学会主席，以后连选连任直到逝世。1705年被册封为艾萨克爵士。1727年牛顿辞世时，他已经成为万众景仰的智慧之王者，英国为他举行国葬，为他抬棺送行的是八名身份显赫的贵族。18世纪英国诗人蒲柏（A.Pope）以圣经创世纪述说上帝创造光照亮大地的格体写成的颂辞：“自然与自然规律隐匿于暗夜之中/上帝说，让牛顿出世吧/于是，一切都变得光明”。（二）万有引力定
10、律的发现荷兰物理学家惠更斯发现了向心力和速度、半径的关系，胡克独立地发现了太阳和行星之间的引力的距离平方反比定律。但牛顿证明了在此力作用下物体肯定做圆锥曲线运动，并把它推广到所用物体中去这就是万有引力定律：太阳系中任何两个天体间存在着相互吸引的作用力，并且这一引力也存在于地面的任何两个物体之间。这一引力的大小不仅与物体间的距离平方成反比，而且与两物体的质量的乘积成正比。（三）牛顿运动三定律简介（四）革命之后在牛顿的时代（科学知识的第一次大综合时代）,人类学术观点方面的革命，也带来了教条的宗教信仰的陈述方面的革命。一方面，人们的宇宙观改变，比如光不再是神秘物质，不再是上帝的住所，而成为一种物理现
11、象。另一方面，以神秘主义方式表现的柏拉图主义转换为合乎理性的柏拉图主义，它经过伽利略和开普勒的思想成为牛顿的数学体系。第二节第一次技术革命一、英国的技术革命、产业革命（一）第一次技术革命发源于英国，从18世纪60年代开始到19世纪40年代完成。它开始于纺织业的机械化，以蒸汽机的发明和广泛使用为主要标志，最后波及其他轻工业、重工业，英国因此率先成为工业国家。（二）纺织机的革新与蒸汽机的改进：1733年，约翰凯伊：织布飞梭；1760S织布工人哈格里沃斯发明了珍妮纺纱机。1769年阿克赖特（Arkwright）发明了水力纺纱机，后来开办了一系列的机械化的纺织厂。瓦特：1769年冷凝器专利获得批准，1
12、782年设计出双向蒸汽机。蒸汽技术革命：1807年富尔顿制造的木质轮船试航成功。1837年英国轮船完全依靠蒸汽动力横渡大西洋成功，1814年英国发明家史蒂芬森设计成功第一台实用的蒸汽机车。7二）法国紧随英国开始其工业化进程，在技术创新、资金运用、工业化模式上，法国最大限度地借鉴了英国的经验，后来居上。根据汤浅光朝的研究，法国到183OS前一直是新的科学中心。18世纪法国的杰出科学家有:拉格朗日、蒙日、达朗贝尔、拉普拉斯、拉瓦锡、库仑、傅里叶。美国的工业化是靠引进西欧先进基础开始的，完成于18世纪5060年代。（三）科学技术关系：第一次工业革命是在近代科学发展的背景下发生的。但是直到19世纪初，
13、科学对经济和社会生活仍然保持着相当的独立性，仍处于社会的边缘。科学的成果并不能迅速、经常地转化为技术。工业革命中的技术突破主要是一些能工巧匠完成的。（四）几个事实：科学革命和技术革命发生的时间先后顺序，科学发展后技术发生变革。第三节近代科学的全面发展一、经典物理学的成熟（一）热学的形成1 .能量守恒原理主要是借助热功当量的测定而得以确立，故常常称为热力学第一定律。由多位科学家在1840年代后以不同的方式独立发现，而发表形式也不尽相同。其中比较著名的有德国医生迈尔、英国科学家焦耳、德国科学家赫尔姆霍茨。2 .1851年,开尔文发表论热的动力理论,系统地阐述了他的热力学理论。文中第一次提出了热力学
14、第一定律和热力学第二定律的概念。其中第二定律是：从单一热源吸取热量使之完全变为有用功而不产生其它影响是不可能的。1850年克劳修斯表述：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。1865年他又用燧的来表述的形式：在封闭系统中，热现象宏观过程总是向着嫡增加的方向进行，当燧到达最大值时，系统到达平衡态。（二）光学的发展1 .波动说和微粒说的对立2 .波动说的复兴1801年托马斯扬光的干涉实验。光是横波的观点解释了光的折射、干涉和偏振现象。3 .光速的测定：菲索、傅科（三）电磁学的建立1 .电磁学的早期成果伽伐尼：发现电流的存在，标志着在静电之外开辟了动电即电流研究的新领域。伏特：伏特电池。
15、欧姆：发现了电位差、电流强度和电阻之间的定量关系（欧姆定律）。19世纪，电流磁效应和电磁感应定律的发现，导致了电磁学的建立。2 .电磁理论的集大成者：麦克斯韦麦克斯韦把电、磁、光统一起来，实现了物理学理论上的又一次大综合。3 .电磁波的实验发现：赫兹二、生物学的飞跃（一）分类学对分类学发展作出重大贡献的是瑞典生物学家林耐，出版了自然系统，形成“林氏24纲”。（二）进化论1 .拉马克1809年出版了动物学哲学,达尔文1859年发表物种起源。2 .达尔文主义：赫胥黎、海克尔、斯宾塞（三）细胞学说1838年德国科学家施莱登论植物的发生，1839年施旺提出了细胞学说。施旺认为：一切动物和植物有机体都是
16、由细胞构成，都是由细胞的繁殖和分化发展而来的，每个细胞是生命的独立单位，同时又在生物机体内相互协调构成统一的整体。第三节第二次技术革命一、科学强国的兴衰（一）大国兴衰L德国183（T年，当英国产业革命达到高潮时，德国还是一个落后的农业国。在科学技术上也远比英法落后。可是经过50年的基础科学全面发展，19世纪中叶后德国成为世界科学中心。然后用极短的时间完成了第一次产业革命，而且率先发起了以内燃机和电力技术为标志的第二次技术革命（有人认为从1870年开始）。从1851年到1900年的50年间，理论科学和技术科学上的重大成果计数，英国占106项、法国占65项、美国占33项，而德国占202项。李比希学
17、派；著名科学家：李比希、维勒、霍夫曼、凯库勒、赫尔姆霍茨、克劳修斯化学工业的兴起。3 .美国美国人的实用主义在科学事业上发挥得淋漓尽致，他们急于解决实际问题，在19世纪积累了世界上最丰富的技术发明，但在基础理论研究上没有太大的贡献。基础设施建设。工业实验室的建立。19世纪中叶出现的一项重要革新是采用可互换零部件的美国制造制度（起源于英国，但在美国得到广泛应用）。二、核心技术1 .内燃机和汽车：奥托（德）、戴姆勒（德）、狄塞尔（德）；本茨（德）、戴姆勒（德）、福特（美）。2 .电动机与发电机：1832年皮克西（法）,第一台永磁式直流发电机；1866年西门子（德），自激式直流发电机。1870年格拉
18、姆（比利时），环形电枢直流发电机。3 .电报电话：1844年莫尔斯（美），有线电报。1876年贝尔（美），电话。4 .电灯电影：1879年爱迪生（美）：白炽灯。1894年，爱迪生的公司拍摄世界上第一部电影。5 .无线电：1895年马可尼（意）与波波安（俄）：无线电通信。三、科学的技术化和社会化现代世界的一个本质特征是科学、技术和经济的密切关联。第二次技术革命以前所未有的方式建立了这种关联。科学开始对技术产生大规模影响、成为技术的先决条件和动力，是这次革命后期的新现象。这次革命使西方人认为他们生活在一个进步的时代。在这个时代，人类的任何问题都可以通过科技的发展得以解决。复习思考题及习题1 .简述开普勒、伽利略和牛顿的主要贡献。2 .简述哥白尼日心说的基本观点。3 .简述第一次技术革命的特点。4,近代科学包括哪些学科？各有哪些主要成就？5 .简述十九世纪自然科学三大发现的意义。6 .试析第一次技术革命发源于英国的原因。
