近代自然科學(xué)(16-18世紀(jì)).ppt
第二部分 近代自然科學(xué),16-18世紀(jì)的自然科學(xué),16-18世紀(jì)的自然科學(xué),經(jīng)過近代科學(xué)革命洗禮的自然科學(xué)在18世紀(jì)末之前,主要還處于搜集材料的階段。這一時期唯有經(jīng)典力學(xué)得到較完善的發(fā)展,形成了經(jīng)典力學(xué)體系。其他學(xué)科雖有了初步的研究或較大的發(fā)展,但其水平還不高,真正的科學(xué)還沒有超出力學(xué)的范圍。,一、物理學(xué),1、經(jīng)典力學(xué)體系的形成 伽利略:近代實驗物理學(xué)的先驅(qū),“近代科學(xué)之父” 開普勒:行星運動三定律 牛頓:萬有引力定律,牛頓力學(xué)三定律,標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)體系的創(chuàng)立 2、對熱和電磁現(xiàn)象的實驗研究 3、幾何光學(xué)的發(fā)展,伽利略生平介紹 (1564-1642年),意大利的杰出天文學(xué)家和物理學(xué)家。16091610年,他第一次用望遠(yuǎn)鏡觀察浩瀚無際的天空,發(fā)現(xiàn)了可以證明哥白尼學(xué)說的許多事實。,伽利略繪制的月面圖和星空圖,伽利略認(rèn)為較小天體圍繞較大的天體公轉(zhuǎn)是一種自然規(guī)律。1632年,伽利略在他的關(guān)于托勒密和哥白尼兩大宇宙體系的對話中,根據(jù)觀察到的事實,結(jié)合力學(xué)原理,批判了托勒密學(xué)說的荒謬,論證了哥白尼學(xué)說的科學(xué)性。這一著作是繼哥白尼之后,對經(jīng)院哲學(xué)的又一沉重打擊,進(jìn)一步動搖了基督教統(tǒng)治的思想基礎(chǔ),在科學(xué)史上占有重要地位。,伽利略,伽利略的天文學(xué)著作發(fā)表之后,受到基督教會的攻擊,并被列為禁書。1633年,他被傳到羅馬受審,受到嚴(yán)刑逼訊。,近代實驗科學(xué)的開端,伽利略還是一位卓越的物理學(xué)家,他發(fā)現(xiàn)鐘擺的擺動,雖然擺幅大小一次比一次減小,但每次擺動的時間卻總是相等的,由此發(fā)現(xiàn)了著名的鐘擺的等時性定律,并用單擺周期作為時間量度的單位(1583年)。 伽利略還發(fā)現(xiàn)了物體的加速度與重量無關(guān),這樣就否定了亞里斯多德關(guān)于落體加速度與重量成正比的臆斷。,1638年,伽利略發(fā)表了關(guān)于兩種新科學(xué)對話集,研究了物體的距離、速度和加速度之間的關(guān)系,提出了無窮集合的概念。這是伽利略最后一部科學(xué)著作,在物理學(xué)方面取得重要成就。 他重視實驗和數(shù)學(xué)工具的做法標(biāo)志著近代科學(xué)的出現(xiàn)。,近代科學(xué)之父,“歐洲星學(xué)之王”第谷布拉赫,1572年11月11日丹麥天文學(xué)家第谷發(fā)現(xiàn)仙后座中的一顆新星(銀河系的一顆超新星),第二年發(fā)表論文新星,后來受丹麥國王腓特烈二世的邀請,在汶島建造天堡觀象臺,建造了許多大型精密的天文儀器,經(jīng)過20年的天文觀測,第谷發(fā)現(xiàn)了許多新的天文現(xiàn)象。 第谷布拉赫曾提出一種介于地心說和日心說之間的宇宙結(jié)構(gòu)體系:地球靜居中心,行星繞太陽運行,而太陽則帶領(lǐng)行星繞地球運轉(zhuǎn)。這一體系十七世紀(jì)初傳入我國后曾一度被接受。 第谷對天文學(xué)的貢獻(xiàn)是不可磨滅的,他用肉眼觀測行星運動,比以前的觀測幾乎準(zhǔn)確了20倍,是他同時代的人望塵莫及的。第谷編制的一部恒星表相當(dāng)準(zhǔn)確,至今仍然有使用價值。,(15461601) 丹麥天文學(xué)家和占星學(xué)家,“天空立法者”開普勒(1571-1630),開普勒德國天文學(xué)家、光學(xué)家。1571年12月27日 生于德國魏爾,父親早年棄家出走,母親脾氣極壞。他是七個月的早產(chǎn)兒,從小體弱多病,四歲時的天花在臉上留下疤痕,猩紅熱使眼睛睛受損,高度近視,一只手半殘,又瘦又矮。但他勤奮努力,智力過人,一直靠獎學(xué)金求學(xué)。1587年進(jìn)人蒂賓根大學(xué)學(xué)習(xí)神學(xué)與數(shù)學(xué)。他是熱心宣傳哥白尼學(xué)說的天文學(xué)教授麥斯特林的得意門生,1591年取得碩士學(xué)位。1609-1619年開普勒根據(jù)第谷的觀測資料提出了行星運動三大定律。,開普勒的艱辛,開普勒面對第谷留下的大量的天文資料,向自己提出了兩個問題:第一,怎樣從大量可靠的觀測資料中確定行星運行軌道的精確形狀?第二,這些行星運動遵循什么規(guī)律? 為了回答這兩個問題,開普勒先借助于火星,利用三角測量法,巧妙地確定了地球的“真實”軌道。然后他參考了地球的“真實”軌道,從偏心圓的角度來確定火星的軌道,他作了多達(dá)七十次的艱巨、冗繁的計算,才找到一個比較符合第谷數(shù)據(jù)的方案。,但是,細(xì)心的開普勒發(fā)現(xiàn),由此算出的火星位置同第谷的數(shù)據(jù)間相差8分,就是0.133度。這是第谷的數(shù)據(jù)發(fā)生了誤差,還是火星的軌道根本就不是圓呢?開普勒憑借著自己良好的科學(xué)素養(yǎng),毫不猶豫地選擇了后者,他堅定地說:“這8分是不允許忽略的,它使我走上了改革整個天文學(xué)的道路。”后來,開普勒向行星軌道形狀也許是橢圓的方向進(jìn)行了大膽的探索,終于取得了成功。,行星運動第一定律,第一定律又稱橢圓軌道定律,定律指出:“所有行星分別沿不同大小的橢圓軌道繞太陽運動,太陽處于橢圓的一個焦點上?!?行星運動第二定律,第二定律又稱面積定律,定律指出:“在行星運動時,聯(lián)結(jié)行星和太陽的線,在相等的時間內(nèi),永遠(yuǎn)掃過同樣大小的面積?!?自然辯證法概論 張勝光制作,16,這是一個十分重要的自然定律,不僅行星遵循著它,連同行星的衛(wèi)星以及太陽周圍的其他天體概無例外。從而可以確定,太陽系是一個有嚴(yán)密組織的天體系統(tǒng)。 它成了天空世界的“法律”,后世學(xué)者尊稱開普勒為“天空的立法者”。,開普勒在他的三大定律完成后,抑制不住自己的巨大喜悅,在書的前言中寫道: “這正是我十六年前就強烈希望探求的東西。我就是為了這個目的同第谷合作的現(xiàn)在大勢已定!書已經(jīng)寫成,是現(xiàn)在被人讀還是后代有人讀,于我卻無所謂了。也許這本書要等上一百年,要知道,大自然也等了觀察者六千年呢!”,開普勒的喜悅,1666年,英國科學(xué)家牛頓從開普勒行星運動的三大定律推出“萬有引力”的定律,為哥白尼的學(xué)說奠定了理論基礎(chǔ)。 開普勒同樣受到基督教會的迫害,他的著作被列入禁書目錄。他在長期饑寒交迫中病逝。,牛頓(16421727年),在伽利略、開普勒等人研究工作的基礎(chǔ) 上,英國物理學(xué)家牛頓把物體的運動規(guī)律歸結(jié)為三條基本運動定律和萬有引力定律,由此建立起一個完整的力學(xué)理論體系。這樣,他就把過去一向認(rèn)為是截然無關(guān)的地球上所謂“世俗”的運動和日月星辰那些屬于神圣的“天堂”的運動統(tǒng)一在同一理論框架之中。這可以說是人類認(rèn)識自然的歷史中第一次理論的大綜合。,牛頓力學(xué)三大定律,第一定律(慣性定律或伽利略定律):物體在無外力作用時,或者保持它的靜止?fàn)顟B(tài),或沿著筆直的線作勻速運動的狀態(tài)。(靜者恒靜,動者恒動) 第二定律(加速度定律):運動的變化與外加推動力成正比;并發(fā)生在該力的作用線方向上。F = ma 第三定律(作用力與反作用力定律):對每一個作用力,總存在一個相等的反作用力和它對抗;或者說,兩個物體彼此施加的相互作用力總是相等的,并各自指向其對方。,自然辯證法概論 張勝光制作,21,1687年,牛頓自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理出版。這是經(jīng)典力學(xué)的第一部經(jīng)典著作(標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)體系的創(chuàng)立),也是人類掌握的第一個完整的科學(xué)的宇宙論和科學(xué)理論體系,其影響遍布經(jīng)典自然科學(xué)的所有領(lǐng)域。牛頓力學(xué)是整個近代物理學(xué)和天文學(xué)的基礎(chǔ),也是現(xiàn)代一切機械、土木建筑、交通運輸?shù)裙こ碳夹g(shù)的理論基礎(chǔ)。 牛頓在整個科學(xué)史上占有獨特的地位,他給以后整整兩個多世紀(jì)的科學(xué)思想深深地打上了自己的烙印。他的偉大不能完全歸功于個人的聰明才智,牛頓自己也承認(rèn)他是站在巨人肩上,因此比別人站得更高看得更遠(yuǎn)。,對熱的研究,對熱現(xiàn)象的實驗研究是從測量溫度開始的。 1617世紀(jì),溫標(biāo)和溫度計的發(fā)明及改進(jìn)為測量溫度的變化提供了便利手段,這是熱學(xué)走上定量科學(xué)的第一步。 1756年,英國布萊克提出潛熱和比熱的概念,并創(chuàng)立了測定熱量的理論和方法,使熱學(xué)的發(fā)展又向前邁出了一步。 熱質(zhì)說(熱素說):把熱看做是一種沒有質(zhì)量、沒有體積、具有廣泛滲透性的特殊的物質(zhì),它可以在熱交換中,從一個物體流向另一個物體,但總熱量是守恒得。熱質(zhì)說成為18世紀(jì)占統(tǒng)治地位的一種觀點。,對電磁現(xiàn)象的實驗研究,18世紀(jì)對電和磁的實驗研究尚局限于靜電和靜磁方面。這一時期電學(xué)的主要成就是關(guān)于靜電相互作用和電的運動特性的研究。 1729年,首次對導(dǎo)體和絕緣體進(jìn)行了區(qū)分。 1734年,在自然界中發(fā)現(xiàn)兩種不同的電:正電和負(fù)電。并證明電有同性相斥異性相吸的特性。 17451746年,制造了能儲存電荷的裝置萊頓瓶,為電學(xué)的實驗研究和理論發(fā)展創(chuàng)造了更好的條件。 1785年,法國庫侖提出著名的庫侖定律。標(biāo)志著電學(xué)成為一門獨立學(xué)科。 英國的富蘭克林,做了風(fēng)箏實驗,證明閃電是一種自然界的放電現(xiàn)象,與摩擦產(chǎn)生的電沒有區(qū)別。后來發(fā)明了避雷針。 1800年,發(fā)明了伏達(dá)電池。,幾何光學(xué)的發(fā)展,1718世紀(jì),幾何光學(xué)得到了較大的發(fā)展。 1621年,發(fā)現(xiàn)了光的折射定律。 1655年,發(fā)現(xiàn)了光線傳播中除了直進(jìn)、反射和折射以外的衍射現(xiàn)象。 17世紀(jì)下半葉以來,由于牛頓和惠更斯對光學(xué)的深入研究,使得光學(xué)真正走上科學(xué)的道路。 牛頓在光學(xué)上的主要貢獻(xiàn)是對顏色的研究。1704年出版的光學(xué)一書,闡明了對顏色本性的解釋。 光的微粒說(牛頓:彈性物質(zhì)微粒流)和光的波動說(惠更斯:具有沖量的振動),18世紀(jì)光的微粒說占據(jù)統(tǒng)治地位。,二、數(shù)學(xué),解析幾何學(xué)的創(chuàng)立 把點和數(shù)聯(lián)系起來,把曲線和方程聯(lián)系在一起,從而能夠利用代數(shù)方法來研究幾何學(xué)。 其創(chuàng)立歸功于費爾瑪和笛卡兒 為微積分的發(fā)展鋪平道路 微積分的創(chuàng)立 微積分由牛頓和德國萊布尼茲建立 在實踐中的應(yīng)用非常廣泛和有效,為自然科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展提供了有力的數(shù)學(xué)工具。,16世紀(jì)以來,數(shù)學(xué)需要處理的許多問題都與運動中的物體和變化著的量有關(guān),這樣,數(shù)學(xué)研究的對象便從常量擴展到變量,數(shù)學(xué)的發(fā)展也進(jìn)入了變量數(shù)學(xué)時期。,三、化學(xué),化學(xué)是研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律的科學(xué)。 化學(xué)作為一門獨立的學(xué)科是從煉金術(shù)的束縛中解脫出來的。 科學(xué)化學(xué)的確立: 玻義耳:懷疑派化學(xué)家,近代化學(xué)的奠基人 從燃素說到氧化燃燒理論: 拉瓦錫:燃燒概論,第一個科學(xué)理論,近代化學(xué)的奠基人玻義耳(1627-1691),玻義耳是英國化學(xué)家、物理學(xué)家。他不喜歡空談,主張“實驗決定一切”。1661年,他的懷疑派化學(xué)家一書的出版,標(biāo)志著化學(xué)確立為一門科學(xué)。 在書中,他首先為化學(xué)確立了獨立的任務(wù)和目標(biāo),認(rèn)為化學(xué)的任務(wù)不只是制備藥品、制取金屬和轉(zhuǎn)變金屬,而應(yīng)從那些技藝中找出一般原理,這就第一次明確地把化學(xué)與煉金術(shù)和其他工藝化學(xué)區(qū)分開來。 其次,他批判了古代的“四元素說”、煉金術(shù)的“三元素說”和醫(yī)藥化學(xué)派的物質(zhì)構(gòu)成的觀點,給物質(zhì)元素下了一個比較科學(xué)的定義。他認(rèn)為元素是指那種原始的、簡單的、一點沒有混雜的物質(zhì),他不能由任何其他物質(zhì)構(gòu)成或相互構(gòu)成,它是所謂混合物的基本成份,也是混合物最終分解的要素。 第一次引進(jìn)了化學(xué)分析的名稱,使化學(xué)分析方法從利用物理性質(zhì)為主進(jìn)行檢驗發(fā)展到利用化學(xué)性質(zhì)為主的檢驗方法,奠定了分析化學(xué)的基礎(chǔ)。,燃素說,從理論上探討燃燒現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。,燃素說認(rèn)為,燃燒是物體釋放燃素的現(xiàn)象和過程,燃素是細(xì)小而活潑的微粒,充斥于一切可燃物、動植物和金屬中,物體燃燒時放出燃素變成灰燼,灰燼獲得燃素又可重新成為物體。 燃素說是第一個把化學(xué)現(xiàn)象協(xié)調(diào)統(tǒng)一起來的學(xué)說,在一定程度上回答了生產(chǎn)實踐和化學(xué)實驗中提出的理論問題,因此在化學(xué)發(fā)展史山起了一定的積極作用。到18世紀(jì)中葉還居于統(tǒng)治地位。,拉瓦錫(1743-1794)氧化燃燒理論,18世紀(jì)下半葉,氧氣被發(fā)現(xiàn),化學(xué)由此迎來了大發(fā)展的轉(zhuǎn)折點。(瑞典舍勒、英國普里斯特利:失燃素空氣) 拉瓦錫于1777年發(fā)表燃燒概論一文,完整闡述了他的氧化燃燒學(xué)說。該學(xué)說是化學(xué)史上第一個科學(xué)的理論,它指出了燃素說的錯誤根源,澄清和統(tǒng)一了18世紀(jì)相當(dāng)混亂的化學(xué)思想。 1789年拉瓦錫出版了化學(xué)綱要一書,詳盡的論述了推翻燃素說的各種實驗依據(jù)和以氧為中心的氧化理論,闡述了化學(xué)質(zhì)量守恒定律,并根據(jù)自己的元素概念,列出了化學(xué)史上第二張元素表,概括了當(dāng)時所認(rèn)識的33種元素。 他雖然拋棄了燃素說的觀念,卻錯誤地把光素和熱質(zhì)作為物質(zhì)實體列入化學(xué)元素表內(nèi),阻礙了化學(xué)的發(fā)展。,四、天文學(xué),天體力學(xué)的建立 康德拉普拉斯星云假說,哥白尼創(chuàng)立的日心說奠定了近代天文學(xué)的基礎(chǔ),隨著經(jīng)典力學(xué)的日臻完善和變量數(shù)學(xué)的發(fā)展,在天文學(xué)中又產(chǎn)生了天體力學(xué)。同時,人們對天體的起源和演化問題也提出了一些意義深遠(yuǎn)的假說。,天體力學(xué)的建立,1799年,法國數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家拉普拉斯出版了天體力學(xué)的代表作天體力學(xué)。在該書中,他第一次提出了天體力學(xué)的概念,把牛頓的萬有引力定律推廣到整個太陽系。 天體力學(xué)的建立和發(fā)展,使天文學(xué)從單純描述天體位置的幾何關(guān)系,進(jìn)入到研究天體之間力的作用,使人們對天體的認(rèn)識進(jìn)入了一個新的領(lǐng)域。,康德拉普拉斯星云假說,德國哲學(xué)家康德在1755年出版的宇宙發(fā)展史概論一書中,提出了太陽系起源于原始星云的假說。其意義在于:1.正確指出了太陽系是物質(zhì)在時間的進(jìn)程中逐漸發(fā)展而來的。2. 通過引力和斥力的矛盾運動說明了自然界是一個有規(guī)律的發(fā)展進(jìn)程。 1876年拉普拉斯提出一個類似的星云假說。他認(rèn)為,太陽系起源于一個巨大、熾熱且緩慢轉(zhuǎn)動著的原始星云;由于逐漸的冷卻,星云不斷收縮,轉(zhuǎn)動加快,從中分離出繞星云中心轉(zhuǎn)動的氣環(huán);氣環(huán)中物質(zhì)的不均勻性使氣環(huán)斷裂,逐漸形成行星,星云中心凝聚成太陽。,五、近代地質(zhì)學(xué)的產(chǎn)生,隨著近代航海和地理大發(fā)現(xiàn),以及來自近代科學(xué)思想和方法的影響,特別使近代工業(yè)和采礦業(yè)的發(fā)展,要求人們對大量已積累的地質(zhì)資料給予科學(xué)的說明。為適應(yīng)這種需要,涌現(xiàn)出一批地質(zhì)學(xué)家。這樣地質(zhì)學(xué)也開始自立于自然科學(xué)之林,成為一門獨立的學(xué)科。 18世紀(jì),巖石成因的水成論(德國魏爾納)和火成論(英國赫頓)之爭 地質(zhì)學(xué)中的“水火之爭”,吸引了更多的學(xué)者從事新的地質(zhì)考察和研究,促使實驗地質(zhì)學(xué)產(chǎn)生。,六、生物學(xué),這一時期的生物學(xué)還處在幼稚階段。除英國醫(yī)生哈維血液循環(huán)的發(fā)現(xiàn)使生物學(xué)發(fā)展成為科學(xué)外,瑞典科學(xué)家林耐通過對物種進(jìn)行描述和初步整理建立了生物分類學(xué)。,哈維(15781657年),哈維是英國生理學(xué)家、血液循環(huán)的發(fā)現(xiàn)者。他出生于一個富商家庭,1597年畢業(yè)于劍橋大學(xué),后留學(xué)于意大利帕多瓦大學(xué),獲醫(yī)學(xué)博士學(xué)位。,帕多瓦大學(xué)醫(yī)學(xué)院是當(dāng)時世界上最大的醫(yī)學(xué)院,素以政策開明、學(xué)術(shù)自由著稱,維薩里開創(chuàng)的親自動手做解剖學(xué)實驗的良好傳統(tǒng),使這所醫(yī)學(xué)院吸引了一大批熱情好學(xué)的青年。哈維留學(xué)期間,伽利略正在帕多瓦任教。這位近代實驗科學(xué)大師所倡導(dǎo)的實驗數(shù)學(xué)方法和力學(xué)自然觀,影響了物理學(xué)之外的許多學(xué)科領(lǐng)域。哈維亦得益匪淺。他懂得了:“無論是教解剖學(xué)或是學(xué)解剖學(xué),都應(yīng)以實驗為根據(jù),而不應(yīng)當(dāng)以書本為根據(jù)。”,哈維在前人研究的基礎(chǔ)上繼續(xù)鉆研,解剖了80多種動物。根據(jù)長期的觀察和實驗,發(fā)現(xiàn)了動物體內(nèi)的血液循環(huán)系統(tǒng),于1628年發(fā)表了心血運動論,為近代生理學(xué)的創(chuàng)立和發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。 哈維的發(fā)現(xiàn),推翻了當(dāng)時流行的古羅馬醫(yī)生蓋倫對血液流動的線路和流動方式的錯誤論述。哈維的杰出發(fā)現(xiàn)沉重打擊了基督教會和神學(xué)思想,同時也開辟了生理學(xué)研究的新紀(jì)元。標(biāo)志著科學(xué)生理學(xué)的誕生。,自然辯證法概論 張勝光制作,39,林耐(17071778),瑞典的博物學(xué)家林耐是人為分類法的集大成者。1735年出版的自然系統(tǒng)一書中創(chuàng)造了一個完整的分類系統(tǒng)。 資料的系統(tǒng)整理,生物學(xué)知識的進(jìn)一步積累和分析。,