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第二部分 近代自然科學,——16-18世紀的自然科學,16-18世紀的自然科學,經過近代科學革命洗禮的自然科學在18世紀末之前，主要還處于搜集材料的階段。這一時期唯有經典力學得到較完善的發(fā)展，形成了經典力學體系。其他學科雖有了初步的研究或較大的發(fā)展，但其水平還不高，真正的科學還沒有超出力學的范圍。,一、物理學,1、經典力學體系的形成 伽利略：近代實驗物理學的先驅，“近代科學之父” 開普勒：行星運動三定律 牛頓：萬有引力定律，牛頓力學三定律，標志著經典力學體系的創(chuàng)立 2、對熱和電磁現象的實驗研究 3、幾何光學的發(fā)展,,,,伽利略生平介紹 (1564-1642年),意大利的杰出天文學家和物理學家。1609—1610年，他第一次用望遠鏡觀察浩瀚無際的天空，發(fā)現了可以證明哥白尼學說的許多事實。,,,伽利略繪制的月面圖和星空圖,伽利略認為較小天體圍繞較大的天體公轉是一種自然規(guī)律。1632年，伽利略在他的《關于托勒密和哥白尼兩大宇宙體系的對話》中，根據觀察到的事實，結合力學原理，批判了托勒密學說的荒謬，論證了哥白尼學說的科學性。這一著作是繼哥白尼之后，對經院哲學的又一沉重打擊，進一步動搖了基督教統(tǒng)治的思想基礎，在科學史上占有重要地位。,,伽利略,伽利略的天文學著作發(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，受到嚴刑逼訊。,近代實驗科學的開端,伽利略還是一位卓越的物理學家，他發(fā)現鐘擺的擺動，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)現了物體的加速度與重量無關，這樣就否定了亞里斯多德關于落體加速度與重量成正比的臆斷。,1638年，伽利略發(fā)表了《關于兩種新科學對話集》，研究了物體的距離、速度和加速度之間的關系，提出了無窮集合的概念。這是伽利略最后一部科學著作，在物理學方面取得重要成就。 他重視實驗和數學工具的做法標志著近代科學的出現。,近代科學之父,“歐洲星學之王”第谷布拉赫,1572年11月11日丹麥天文學家第谷發(fā)現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，經過20年的天文觀測，第谷發(fā)現了許多新的天文現象。 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構體系：地球靜居中心，行星繞太陽運行，而太陽則帶領行星繞地球運轉。這一體系十七世紀初傳入我國后曾一度被接受。 第谷對天文學的貢獻是不可磨滅的，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準確，至今仍然有使用價值。,（1546－1601） 丹麥天文學家和占星學家,“天空立法者”開普勒(1571-1630),開普勒德國天文學家、光學家。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，一直靠獎學金求學。1587年進人蒂賓根大學學習神學與數學。他是熱心宣傳哥白尼學說的天文學教授麥斯特林的得意門生，1591年取得碩士學位。1609-1619年開普勒根據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，他作了多達七十次的艱巨、冗繁的計算，才找到一個比較符合第谷數據的方案。,但是，細心的開普勒發(fā)現，由此算出的火星位置同第谷的數據間相差8分，就是0.133度。這是第谷的數據發(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的道路。”后來，開普勒向行星軌道形狀也許是橢圓的方向進行了大膽的探索，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，聯結行星和太陽的線，在相等的時間內，永遠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，太陽系是一個有嚴密組織的天體系統(tǒng)。 它成了天空世界的“法律”，后世學者尊稱開普勒為“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……現在大勢已定！書已經寫成，是現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，為哥白尼的學說奠定了理論基礎。 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 上，英國物理學家牛頓把物體的運動規(guī)律歸結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理論體系。這樣，他就把過去一向認為是截然無關的地球上所謂“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。這可以說是人類認識自然的歷史中第一次理論的大綜合。,牛頓力學三大定律,第一定律（慣性定律或伽利略定律）：物體在無外力作用時，或者保持它的靜止狀態(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《自然哲學之數學原理》出版。這是經典力學的第一部經典著作（標志著經典力學體系的創(chuàng)立），也是人類掌握的第一個完整的科學的宇宙論和科學理論體系，其影響遍布經典自然科學的所有領域。牛頓力學是整個近代物理學和天文學的基礎，也是現代一切機械、土木建筑、交通運輸等工程技術的理論基礎。 牛頓在整個科學史上占有獨特的地位，他給以后整整兩個多世紀的科學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，牛頓自己也承認他是站在巨人肩上，因此比別人站得更高看得更遠。,,對熱的研究,對熱現象的實驗研究是從測量溫度開始的。 16－17世紀，溫標和溫度計的發(fā)明及改進為測量溫度的變化提供了便利手段，這是熱學走上定量科學的第一步。 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，使熱學的發(fā)展又向前邁出了一步。 熱質說（熱素說）：把熱看做是一種沒有質量、沒有體積、具有廣泛滲透性的特殊的物質，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。熱質說成為18世紀占統(tǒng)治地位的一種觀點。,對電磁現象的實驗研究,18世紀對電和磁的實驗研究尚局限于靜電和靜磁方面。這一時期電學的主要成就是關于靜電相互作用和電的運動特性的研究。 1729年，首次對導體和絕緣體進行了區(qū)分。 1734年，在自然界中發(fā)現兩種不同的電：正電和負電。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。標志著電學成為一門獨立學科。 英國的富蘭克林，做了風箏實驗，證明閃電是一種自然界的放電現象，與摩擦產生的電沒有區(qū)別。后來發(fā)明了避雷針。 1800年，發(fā)明了伏達電池。,,幾何光學的發(fā)展,17－18世紀，幾何光學得到了較大的發(fā)展。 1621年，發(fā)現了光的折射定律。 1655年，發(fā)現了光線傳播中除了直進、反射和折射以外的衍射現象。 17世紀下半葉以來，由于牛頓和惠更斯對光學的深入研究，使得光學真正走上科學的道路。 牛頓在光學上的主要貢獻是對顏色的研究。1704年出版的《光學》一書，闡明了對顏色本性的解釋。 光的微粒說（牛頓：彈性物質微粒流）和光的波動說（惠更斯：具有沖量的振動），18世紀光的微粒說占據統(tǒng)治地位。,二、數學,解析幾何學的創(chuàng)立 把點和數聯系起來，把曲線和方程聯系在一起，從而能夠利用代數方法來研究幾何學。 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 在實踐中的應用非常廣泛和有效，為自然科學的進一步發(fā)展提供了有力的數學工具。,16世紀以來，數學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，這樣，數學研究的對象便從常量擴展到變量，數學的發(fā)展也進入了變量數學時期。,三、化學,化學是研究物質的組成、結構、性質及其變化規(guī)律的科學。 化學作為一門獨立的學科是從煉金術的束縛中解脫出來的。 科學化學的確立： 玻義耳：《懷疑派化學家》，近代化學的奠基人 從燃素說到氧化燃燒理論： 拉瓦錫：《燃燒概論》，第一個科學理論,近代化學的奠基人－玻義耳(1627-1691),玻義耳是英國化學家、物理學家。他不喜歡空談，主張“實驗決定一切”。1661年，他的《懷疑派化學家》一書的出版，標志著化學確立為一門科學。 在書中，他首先為化學確立了獨立的任務和目標，認為化學的任務不只是制備藥品、制取金屬和轉變金屬，而應從那些技藝中找出一般原理，這就第一次明確地把化學與煉金術和其他工藝化學區(qū)分開來。 其次，他批判了古代的“四元素說”、煉金術的“三元素說”和醫(yī)藥化學派的物質構成的觀點，給物質元素下了一個比較科學的定義。他認為元素是指那種原始的、簡單的、一點沒有混雜的物質，他不能由任何其他物質構成或相互構成，它是所謂混合物的基本成份，也是混合物最終分解的要素。 第一次引進了化學分析的名稱，使化學分析方法從利用物理性質為主進行檢驗發(fā)展到利用化學性質為主的檢驗方法，奠定了分析化學的基礎。,燃素說,從理論上探討燃燒現象的本質和規(guī)律。,燃素說認為，燃燒是物體釋放燃素的現象和過程，燃素是細小而活潑的微粒，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現象協調統(tǒng)一起來的學說，在一定程度上回答了生產實踐和化學實驗中提出的理論問題，因此在化學發(fā)展史山起了一定的積極作用。到18世紀中葉還居于統(tǒng)治地位。,拉瓦錫（1743-1794）－氧化燃燒理論,18世紀下半葉，氧氣被發(fā)現，化學由此迎來了大發(fā)展的轉折點。（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說。該學說是化學史上第一個科學的理論，它指出了燃素說的錯誤根源，澄清和統(tǒng)一了18世紀相當混亂的化學思想。 1789年拉瓦錫出版了《化學綱要》一書，詳盡的論述了推翻燃素說的各種實驗依據和以氧為中心的氧化理論，闡述了化學質量守恒定律，并根據自己的元素概念，列出了化學史上第二張元素表，概括了當時所認識的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作為物質實體列入化學元素表內，阻礙了化學的發(fā)展。,四、天文學,天體力學的建立 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的基礎，隨著經典力學的日臻完善和變量數學的發(fā)展，在天文學中又產生了天體力學。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的假說。,天體力學的建立,1799年，法國數學家和天文學家拉普拉斯出版了天體力學的代表作《天體力學》。在該書中，他第一次提出了天體力學的概念，把牛頓的萬有引力定律推廣到整個太陽系。 天體力學的建立和發(fā)展，使天文學從單純描述天體位置的幾何關系，進入到研究天體之間力的作用，使人們對天體的認識進入了一個新的領域。,康德－拉普拉斯星云假說,德國哲學家康德在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在時間的進程中逐漸發(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)展進程。 1876年拉普拉斯提出一個類似的星云假說。他認為，太陽系起源于一個巨大、熾熱且緩慢轉動著的原始星云；由于逐漸的冷卻，星云不斷收縮，轉動加快，從中分離出繞星云中心轉動的氣環(huán)；氣環(huán)中物質的不均勻性使氣環(huán)斷裂，逐漸形成行星，星云中心凝聚成太陽。,五、近代地質學的產生,隨著近代航海和地理大發(fā)現，以及來自近代科學思想和方法的影響，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資料給予科學的說明。為適應這種需要，涌現出一批地質學家。這樣地質學也開始自立于自然科學之林，成為一門獨立的學科。 18世紀，巖石成因的水成論（德國魏爾納）和火成論（英國赫頓）之爭 地質學中的“水火之爭”，吸引了更多的學者從事新的地質考察和研究，促使實驗地質學產生。,六、生物學,這一時期的生物學還處在幼稚階段。除英國醫(yī)生哈維血液循環(huán)的發(fā)現使生物學發(fā)展成為科學外，瑞典科學家林耐通過對物種進行描述和初步整理建立了生物分類學。,哈維(1578—1657年),哈維是英國生理學家、血液循環(huán)的發(fā)現者。他出生于一個富商家庭，1597年畢業(yè)于劍橋大學，后留學于意大利帕多瓦大學，獲醫(yī)學博士學位。,帕多瓦大學醫(yī)學院是當時世界上最大的醫(yī)學院，素以政策開明、學術自由著稱，維薩里開創(chuàng)的親自動手做解剖學實驗的良好傳統(tǒng)，使這所醫(yī)學院吸引了一大批熱情好學的青年。哈維留學期間，伽利略正在帕多瓦任教。這位近代實驗科學大師所倡導的實驗—數學方法和力學自然觀，影響了物理學之外的許多學科領域。哈維亦得益匪淺。他懂得了：“無論是教解剖學或是學解剖學，都應以實驗為根據，而不應當以書本為根據?！?哈維在前人研究的基礎上繼續(xù)鉆研，解剖了80多種動物。根據長期的觀察和實驗，發(fā)現了動物體內的血液循環(huán)系統(tǒng)，于1628年發(fā)表了《心血運動論》，為近代生理學的創(chuàng)立和發(fā)展作出了貢獻。 哈維的發(fā)現，推翻了當時流行的古羅馬醫(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)現沉重打擊了基督教會和神學思想，同時也開辟了生理學研究的新紀元。標志著科學生理學的誕生。,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，生物學知識的進一步積累和分析。,