近代自然科学的初步发展.ppt

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1、第一篇 近代科学技术,高等教育出版社,版权所有 复制必究,第一章 近代自然科学的初步发展第二章 第一次产业技术革命第三章 近代自然科学的全面发展第四章 第二次产业技术革命,第一章 近代自然科学的初步发展,14世纪发端于意大利、随后波及整个欧洲的文艺复兴运动，是一场思想文化解放运动。文艺复兴不仅创造了近代的古典文学和艺术，而且由于它对经院哲学的蔑视和拒斥、对现实世界和世俗生活的关注、对古典文化资源的挖掘，为近代自然科学的诞生创造了非常有利的文化氛围。,文艺复兴之城佛罗伦撒,高等教育出版社,版权所有 复制必究,文艺复兴，是14世纪至16世纪在欧洲兴起的一个思想文化运动，带来一段科学与艺术革命时期，

2、揭开了现代欧洲历史的序幕，被认为是中古时代和近代的分界。马克思主义史学家认为是封建主义时代和资本主义时代的分界。文艺复兴不仅创造了近代的古典文学和艺术，而且为近代自然科学的诞生也创造了非常有利的文化氛围。,列奥纳多达芬奇的人体 比例，表现了文艺复兴时期 把艺术与科学结合的特色,宗教改革运动从14、15世纪开始，在西欧与中欧国家兴起，它打破了教会的精神独裁，为自然科学从神学中解放出来创造了必要的社会前提。,最后的审判 米开朗基罗,大卫米开朗基罗,在意大利和地中海沿岸的一些城市，由手工艺人集合在一起集体劳动的手工工场也开始出现了，它的出现促进了生产技术改进、分工和协作的发展，为进一步改进技术和使用

3、机器创造了条件。,文艺复兴时期制作乐器的工场,工人正在进行印刷工作,15世纪下半叶，新工厂主、商人的经济实力愈加雄厚，他们要求扩大贸易和到海外寻找财富，应运而生的远航探险和地理大发现对欧洲的社会和科学技术产生了极大的促进作用。,哥伦布塑像,哥伦布规航后觐见国王,中国、印度和阿拉伯等国的科技传入欧洲后，对欧洲的社会发展和科学技术进步产生了巨大的推动作用。英国政治家、哲学家培根(F.Bacon，15611626)在1620年就曾指出，“三大发明”改变了整个世界事物的面貌和状态；没有一个帝国、没有一个教派、没有一个大人物对人类事务的影响，能做这三种发明那样巨大和深远。,印刷术：唐代时传到日本，公元1

4、2世纪传到埃及，14世纪传入欧洲，为欧洲科学的兴起及文艺复兴运动提供了重要的物质条件。,1.1 科学革命的突破,1.1.1 天文学革命 天文学作为一门古老的学科，研究广阔空间中天体的位置、分布、运动、形态结构、物理状态、化学组成和演化规律。古代人为了生产等需要，已经开始有目的地对星体、日、月进行观察记录。古希腊天文学对后世有很大影响，柏拉图提出地球的中心思想，后由托勒密发展为地心说。,托勒密的地心说体系,在托勒密的地心说看来，地球处于宇宙的中心，静止不动，太阳及其他行星围绕着地球运行为了解释与弥合天文观测的差距，托勒密构造出本轮均轮体系。以使地球中心体系符合观察到的星体运动路径。在中世纪西方、

5、教会将其纳入到严密而庞大的神学体系中，作为上帝创世说的一个不可缺少的组成部分，这样一来。原本很单纯的天文学理论地心说就变成了维护教会权威的一个重要理论支柱。,本轮均轮图,尼古拉哥白尼，波兰伟大的天文学家、太阳中心说的创始人、近代天文学的奠基人。,随着时间延长，“地心说”与实际的偏离越来越大。哥白尼经过数十年的观察和研究，终于建方起以太阳为中心的宁宙体系“日心说”。日心说认为，地球是一颗普通的行星，它既有绕自转轴的自转，又与其他行星一起围绕宇宙中心太阳旋转。这就使得以前看来极不协调的种种天象变得简单而和谐。,哥白尼的著述,1.1.2 医学生理学革命 自古以来，医学实践一直是人类活动的一个极为重要

6、的方 面，研究疾病的产生、性质和治疗以及研究人体的结构和功能，始终是自然科学不可缺少的组成部分。文艺复兴以来，一批艺术 家、医学家从事人类解剖学和解剖生理学 的研究。比利时医生维萨留斯发表人体结 构，并证明男女肋骨 数目相同。他的结论动 摇了天主教的教条，并 因此受到迫害。右图为 维萨留斯在书中描绘的 人体静脉系统，其精密 程度另人赞叹。,维萨留斯,17世纪，英国科学家哈维找到了 血液流通的途径，为人们充分了解人和 动物的生理学开辟了新的途径。哈维从 实验入手，做了绑扎人体上臂血管和计 算血流量的实验。他发现，动脉和静脉中血液流动的方向相反。哈维还对血 流量进行了计算，从而发现，血液 在全身沿

7、着一个 闭合路径作循环 运动。血液循环 理论的建立，具 有重要的科学价值。,捆扎上臂血管实验,哈维,血液循环,在血液循环理论的建立过程中，由于社会条件的原因，充满着艰辛的斗争。教会为了神学的需要，把盖仑的医学理论绝对化、凝固化，用来论证宗教神学的结论。除了维萨留斯受到了教会的迫害以外，塞尔维特也因其异端的神学观点被加尔文派新教逮捕并处以死刑，在烧死之前还活活烤了两个钟头。血液循环理论的建立，具有重要的科学价值，成了临床医学的理论基础、同时也成了近代生理学的重要基础。在哈维以后，比较解剖学、人体生理学、医学等生物学学科逐步建立起来。,1.2.1 开普勒对天空“立法”开普勒与第谷合作，使他 获得了

8、大量精确的天文学数据。16091619年，他先后提出了 行星运动三定律。,第谷在天文台工作,第谷用过的望远镜,1.2 经典力学的奠基,1.椭圆定律：开普勒的行星运动第一定律指出，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的位置上。,开普勒第一定律,2等面积定律：在行星与太阳间作一条直线，则此直线 在行星运动时于相同时间内扫过相等的面积。3和谐定律：行星运动周期T 的平方正比于行星与太阳 平均距离R 的三次方，记为：,开普勒第二定律,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 方面做出了巨大贡献。开普勒是继哥 白尼

9、之后第一个站出来捍卫太阳中心 说、并在天文学方面有突破性成就的 人物，被后世科学史家称为“天上的 立法者”。开普勒生在德国威尔的一 个贫民家庭，1587年，他进入蒂宾根 大学，很快成为哥白尼学说的忠实维 护者。后来，由于学校被天主教会控 制，开普勒离开神学院前往布拉格，与卓越的天文学家第谷一起专心地从 事天文观测工作。他充分利用了第谷布拉赫留下的大量精确的天文观测资料，改进了哥自尼的学说确立了行星运动三定律，为天体力学的诞生提供了坚实的基础。,开普勒,1.2.2 伽利略对地面物体的研究 主要贡献：力学 伽利略是第一个把实验引进 力学的科学家，他利用实验和数学相结 合的方法确定了一些重要的力学定

10、律。,伽利略伽利 意大利物理学家和天文学家，实验物理学的先驱者，提出著名的相对性原理、惯性原理、抛体的运动定律、摆振动的等时性等。关于两门新科学的对话和数学证明对话集总结了他的科学思想以及在物理学和天文学方面的研究成果。,天文学 他是利用望远镜观测天体取得大量成果的第一位科学家。哲学 他一生坚持与唯心论和教会的经院哲学作斗争,主张用具体的实验来认识自然规律,认为经验是理论知识的源泉。,伽利略发现的四颗卫星,伽利略著名的“斜面实验”伽利略的最主要贡献或最主要的 贡献之一在于对于地面物体运功的研究。1638年出版的他的关于两门自然科学 的对话和数学证明一书，是他对地面 物体起动研究的一个总结。在该

11、书中，伽利略叙述了“斜面实验”。亚里士多德认为两个物体以同一高 度落下，重的比轻的先着地。但伽利略 经过反复的研究与实验后，得出与之截 然相反的结论：物体下落的快慢与重量 无关。,斜面试验,比萨斜塔,综合斜面实验的过程，可以设计和制造一个光滑的斜面和平面(如图中由A经B至C)，再用一个光滑的球由A经斜面落下。经过多次的反复实验，伽利略得到以下的结论：1.在斜面AB上，小球作加速运动。在斜面倾角一定时，无论小球重量如何，加速度值都一样，在斜面上滚动的铜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。,2.在小球落到B点并沿BC平面滑动时，在运动方向上小球并不受力。但

12、它仍然按起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。这个说法也就是惯性定律。这一发现表明速度并不是由外力引起的，力是产生加速度的原因而不是产生速度的原因。3.如果小球运动至平面的一端的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，于是物体呈现出抛体运动状态，图中即小球将沿半抛物线CD落至D点。伽利略的研究成果，为后来牛顿的进一步综合奠定了基础。,1.3 近代科学的第一次大综合,1.3.1 牛顿的综合 在哥白尼、开普勒关于天体运动规律和伽利略关于地面物体的动力学研究的基础上。牛顿展开了更全面的分析、综合和概括工作，终于建立了经典力学体系，实现了近代科学

13、史上的第一次大综合。英国著名诗人Pope写道：自然界和自然界的规律隐 藏在黑暗中，上帝说：“让牛顿去吧！”于是一切成为光明。,牛顿在著名的自然哲学的数学原理一书中，给出了一种力的定义：“施加的力是能够使物体改变它的静止状态或匀速直线运动的状态的一种作用”。这儿乎就是力的现代定义。事实上，力是代表物体间的一种相互作用，由于这种作用物体会改变速度，即获得加速度。在定义了力的概念以 后，牛顿在伽利略关于物体运 动研究的基础上，总结出来有 关地面物体运动的三大定律。,自然哲学的数学原理,牛顿第一定律又称惯性定律：任何物体都保持静止或匀速直线运动状态，知道其它任何物理所作用的力迫使它改变这种状态为止。牛

14、顿第二定律又称运动基本定律：物体在受到外力时，物理所获得的加速度的大小和外力成正比，而与物体的质量成反比，加速的的方向与外力方向相同。牛顿第三定律又称作用和反作用定律：作用力与反作用力大小相等，方向相反，分别作用于不同的物体上。,1.3.2 万有引力定律 牛顿在建立了力学的基本概念并发现了力学的基本定律之后，就试图用来解决一系列的问题。他在着手解决太阳系的动力学问题中，进一步发现了万有引力定律。万有引力定律又称物质相互作用的普遍规律：任何两个物体都存在着相互作用的 吸引力，吸引力的方向沿两 个物体连线的方向，力的大 小与两个速体质量乘积成正 比，与两个物体之间的距离 的平方成反比。,1.4 其

15、它学科的初步发展,数学：1618世纪是常量数学到变量数学的时期。法国人笛卡儿（1596-1650年）分析了几何学 与代数学的优缺点，表示要寻求一种包含这 两门科学的优点而没有它们缺点 的方法，这种方法就是用代数方 法来研究几何问题解析几 何，并与17世纪上半叶创立了解 析几何。,笛卡儿分型,耐普尔的计算器,17世纪上半叶英国人耐普尔发明了对数，对数的发明，有助于改进和简化计算，拉普拉斯这样来评价这一发明：它用缩短计算的时间来使天文学家的寿命加倍。,牛顿和莱布尼茨在17世纪下半叶各自独立的创立了微积分学。他们的功绩主要在于：把各种有关问题的解法统一成微分法和积分法。（右图为莱布尼茨）,化学：近代

16、化学的前身是古代的炼丹术和炼金术。炼丹术和炼金术与神秘主义有关，炼丹术士和炼金术士以分散的神秘活动为特色，他们对长生不老、发财致富的不懈追求，虽然我们今天看来荒诞不经，但是却也为我们积累了很多的化学知识。玻意尔在1661年出版怀疑派的化学家，书中首次将化学确立为一门独立的科学，并提出化学元素定义。英国化学家普利斯特列发现了氧气。下图为其二人的化学实验室，左图为玻意尔实验室。,拉瓦锡，法国化学家，他进行的化学革命被公推为18世纪科学发展史上最辉煌的成就之一。,拉瓦锡是近代化学奠基人之一。1774年10月，普里斯特列向拉瓦锡介绍了自己的实验:氧化汞加热时,可得到“脱燃素气”，这种气体使蜡烛燃烧得更

17、明亮，还能帮助呼吸。拉瓦锡重复了普里斯特利的实验，得到了相同的结果。拉瓦锡并不相信燃素说，所以他认为这种气体是一种元素,1777年正式把这种气体命名为oxygen（中译名氧）。,燃素学说,拉瓦锡用实验证明了化学反应中的质量守恒定律。拉瓦锡的氧化学说彻底地推翻了燃素说，使化学开始蓬勃地发展起来。,拉瓦锡的实验室,光学：17世纪以来由于天文学研究的需要，光学得到了较快的发展。在近代科学史上，第一个对光现象进行系统研究的是开普勒，他首先提出了光度学定理。还研究了光的折射现象和透镜成像问题。17世纪初，荷兰数学家斯涅尔(15801628)发现了光的反射和折射定律。,开普勒,斯涅耳,反射定律：反射角入射

18、角 i=t 折射定律：光从疏介质入射密介质，折射 角小于入射角。n1x sin1=n2 x sin2 色散：波速随波长而改变的性质称为 色散。,费马，法国数学家物理学家，解析几何学创始人之一。得到确定光在介质中传播所走的路径和光程极值原理。,在岸边看到落水的人，如何用最短的时去救他，选择1绕远必然被放弃了，选择2是最短路线，但我们却选择3，因为在陆地上速度更快，这就是费马原理：“光所选择的路径是最节省时间的路径”。,牛顿进行了日光分光实验，发现白光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛和紫七色光组成，这种分解出来的单色光再通过第二个棱镜时没有增加任何新的成分，而将第一次分解的光也可以再用另一个棱镜合成白光

19、。牛顿通过一系列的研究，根据光的直线传播原理认为光是一种微粒流，微粒从光源飞出，在均勾物质内以力学定律作匀速运动，他以此解释了光的反射和折射，但在解释他自己发现的牛顿环时却遇到重重困难。光的本性问题是研究的焦点。,分光试验,牛顿环,惠更斯创立了光的波动说，他认为光是一种波，他的传播与声音相似。光的波动说对于光的反射、折射、衍射现象解释得较为合理，但对光的直进和双折射现象等则难以理解。波动说与微粒说的争论几乎贯穿近代物理光学研究的始终。波粒之争从十七世纪初笛卡儿提出两点假说开始、至二十世纪初以波粒二象性告终，共经历了三百多年的时间。,光的波动,生物学：生物学在这一时期得主要成就有林耐的分类学和以

20、及细胞的发现、渐成说的提出。胡克用自制的显微镜观察软木的时候，首先发现了细胞。林耐在1735年出版的名著自然系统中，系统的阐述了他的植物分类原则，和见 解。他把植物分为纲、目、属、种，并以双命名法来命名植物。右图上为胡克的显微镜，下为他用显微镜看到的软木细胞和跳蚤。,电磁学：电磁研究在18世纪有一些进展，人们对电磁现象进行了一系列的观察，并初步制造了一些电磁学的试验仪器。美国科学家富兰克林正式把电分为“正电”和“负电”，并提出电荷守恒的观点；1752年他通过著名的风筝试验，认识到天空的闪电和实验室的莱顿瓶放电的性质相同；他还发明了避雷针。1785年法国物理学家库仑以对静电的定量试验研究为基础，

21、提出了静电力的平方反比定律既库仑定律。1775年至1800年间意大利试验电学家伏打发明了世界上第一个产生恒定电流的装置伏打电池。,库仑,富兰克林,1.5 近代科学方法,1.5.1 培根创立实验归纳法放弃所有先入为主的概念而重新开始。暂时不要企图上升到一般的结论或接近他们,弗兰西斯培根是近代哲学史上首先提出经验论原则的哲学家。他重视感觉经验和归纳逻辑在认识过程中的作用，开创了以经验为手段，研究感性自然的经验哲学的新时代，对人类哲学史、科学史都做出了重大的历史贡献。为此，罗素尊称培根为“给科学研究程序进行逻辑组织化的先驱”。,培根,1.5.2 笛卡儿创立数学演绎法只把无需怀疑的东西放入我的判断难题

22、细分，直至完全解决从最简单、容易的开始，渐渐上升到 复杂对象把一切情况例举，尽量无遗漏,笛卡儿藉由此图解释视觉系统如何知觉物体,笛卡儿，法国哲学家、数学家和物理学家。,1.5.3 伽利略的数学与实验相结合 伽利略一生坚持与唯心论和教会的经院哲学作斗争,主张用具体的实验来认识自然规律,认为经验是理论知识的源泉。他不承认世界上有绝对真理和掌握真理的绝对权威，反对盲目迷信。他承认物质的客观性、多样性和宇宙的无限性，这些观点对发展唯物主义的哲学具有重要的意义。但由于历史的局限性，他强调只有可归纳为数量特征的物质属性才是客观存在的,1.5.4 牛顿论科学方法“我把这部著作叫做自然哲学的数学原理，因为哲学

23、的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力，而后用这些力去论证其他的现象。”牛顿的研究方法：归纳-演绎法归纳法：从实验出发，由特殊到一般演绎法：以理论为主，有一般到特殊,牛顿手记,牛顿在自然科学原理中提到的科学方法：简单性原理：除那些真实而已足够说明其现象者外，不必再去寻求自然界事物的其他原因。因果性原理：对于自然界中同一类结果，必须尽可能归之于同一种原因。统一性原理：物体的属性，凡是既不能增强也不能减弱者，又为我们实验所能及的范围的一切物体所具有者，就应视为所有物理的普遍属性。,1.5.5 形而上学的机械唯物主义自然观 把研究对象划分为力和微粒，把运动原因都归结为某种力，把高级运动都简单类比作机械运动，这就是一种机械唯物主义的自然观。,