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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(shí)驗(yàn)物理學(xué)的先驅(qū)，“近代科學(xué)之父” 開普勒：行星運(yùn)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(shí)驗(yàn)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。1609—1610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(shí)。,,,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(shí)，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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yùn)行，而太陽則帶領(lǐng)行星繞地球運(yùn)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(yùn)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。,（1546－1601） 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(yùn)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(yùn)行軌道的精確形狀？第二，這些行星運(yùn)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(shí)”軌道。然后他參考了地球的“真實(shí)”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?！焙髞恚_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(yùn)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(yùn)動，太陽處于橢圓的一個焦點(diǎn)上。”,行星運(yùn)動第二定律,第二定律又稱面積定律，定律指出：“在行星運(yùn)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(qiáng)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(yùn)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（1642──1727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(yùn)動規(guī)律歸結(jié)為三條基本運(yùn)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(yùn)動和日月星辰那些屬于神圣的“天堂”的運(yùn)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(yùn)動的狀態(tài)。（靜者恒靜，動者恒動） 第二定律（加速度定律）：運(yùn)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(jī)械、土木建筑、交通運(yùn)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(dú)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(shí)驗(yàn)研究是從測量溫度開始的。 16－17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(diǎn)。,對電磁現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究,18世紀(jì)對電和磁的實(shí)驗(yàn)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(yùn)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。 1745－1746年，制造了能儲存電荷的裝置－萊頓瓶，為電學(xué)的實(shí)驗(yàn)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(dú)立學(xué)科。 英國的富蘭克林，做了風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)，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,17－18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(diǎn)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(fèi)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(shí)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(yùn)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(kuò)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(dú)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(shí)驗(yàn)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(dú)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(diǎn)，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(diǎn)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(yàn)發(fā)展到利用化學(xué)性質(zhì)為主的檢驗(yàn)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(shí)踐和化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。（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(shí)驗(yàn)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(shí)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(yùn)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(dú)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(shí)驗(yàn)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(1578—1657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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)科學(xué)大師所倡導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)—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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，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(yùn)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（1707－1778）,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。,