1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上科學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史輔導(dǎo)第七章 經(jīng)典力學(xué)體系的建立 經(jīng)過(guò)許多科學(xué)家的努力，在天文學(xué)和力學(xué)方面已經(jīng)積累了豐富的資料。在此基礎(chǔ)上，牛頓實(shí)現(xiàn)了天上力學(xué)和地上力學(xué)的綜合，形成了統(tǒng)一的力學(xué)體系。這是人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然歷史的第一次大飛躍和理論大綜合。它開(kāi)辟了一個(gè)新的時(shí)代，并對(duì)科學(xué)發(fā)展的進(jìn)程以及后代科學(xué)家們的思維方式產(chǎn)生了極其深刻的影響。牛頓力學(xué)的建立是科學(xué)形態(tài)上的重要變革，標(biāo)志著近代理論自然科學(xué)的誕生，并成為其他各門(mén)自然科學(xué)的典范。然而，在十七八世紀(jì)里其他自然科學(xué)仍處在積累資料的階段。第一節(jié) 經(jīng)典力學(xué)體系化的知識(shí)基礎(chǔ) 以研究機(jī)械運(yùn)動(dòng)為對(duì)象的力學(xué)，在17世紀(jì)下半葉建立了一個(gè)普遍的力學(xué)體系，絕不是

2、偶然的，是由多方面的原因造成的結(jié)果。 歐洲經(jīng)過(guò)16世紀(jì)百余年的宗教和政治改革的大變動(dòng)之后，到17世紀(jì)下半葉進(jìn)入了一個(gè)政治上較為安寧，經(jīng)濟(jì)上趨于繁榮的時(shí)期。生產(chǎn)實(shí)踐為力學(xué)研究提出了許多問(wèn)題，這就給科學(xué)的發(fā)展以推動(dòng)力。 推動(dòng)科學(xué)家們研究天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的另一個(gè)原因則是由于科學(xué)自身發(fā)展的要求。例哥白尼學(xué)說(shuō)提出了許多懸而未決的問(wèn)題。諸如行星運(yùn)動(dòng)的軌道形狀問(wèn)題，為什么行星要沿著一定的軌道繞日運(yùn)行問(wèn)題等等。這些問(wèn)題的研究并不是出于某種實(shí)用的目的，但它對(duì)科學(xué)未來(lái)的發(fā)展卻具有極重要的價(jià)值。正是這種研究為近代力學(xué)的體系化奠定了知識(shí)基礎(chǔ)。 為牛頓力學(xué)的建立打下重要基礎(chǔ)的有一系列的科學(xué)家，特別是伽利略與開(kāi)普勒（1571

3、1630）對(duì)牛頓力學(xué)的建立有著非常重要的影響。伽利略通過(guò)對(duì)自由落體的研究，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了慣性運(yùn)動(dòng)和在重力作用下的勻加速運(yùn)動(dòng)，奠定了牛頓第一定律和第二定律的基本思想。伽利略關(guān)于拋物體運(yùn)動(dòng)定律的發(fā)現(xiàn)，對(duì)牛頓萬(wàn)有引力的學(xué)說(shuō)也有深刻的啟示作用。天文學(xué)家開(kāi)普勒所發(fā)現(xiàn)的行星運(yùn)動(dòng)定律則是牛頓萬(wàn)有引力學(xué)說(shuō)產(chǎn)生的最重要前提。1609年，開(kāi)普勒出版了他的新天文學(xué)一書(shū)，公布了太陽(yáng)系行星運(yùn)動(dòng)的兩條基本定律： 行星運(yùn)動(dòng)第一定律：行星的軌道為橢圓，太陽(yáng)在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上； 行星運(yùn)動(dòng)第二定律：在相等的時(shí)間內(nèi)，行星和太陽(yáng)的聯(lián)線(xiàn)所掃過(guò)的面積相等，亦稱(chēng)面積定律。 在這之后，開(kāi)普勒又發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動(dòng)第三定律：太陽(yáng)系中任何兩顆行星公轉(zhuǎn)周期

4、的平方比等于它們軌道半徑（半主軸長(zhǎng)）的立方比，亦稱(chēng)周期定律。 行星運(yùn)動(dòng)三定律的發(fā)現(xiàn)，使整個(gè)太陽(yáng)系的運(yùn)動(dòng)的圖景以更加簡(jiǎn)單明了的形式被揭示出來(lái)。由于開(kāi)普勒的發(fā)現(xiàn)，使太陽(yáng)系成為一個(gè)嚴(yán)格按照確定規(guī)律運(yùn)行的力學(xué)系統(tǒng)。因此，西方人把開(kāi)普勒稱(chēng)為“天空立法者”。 第二節(jié) 牛頓和他的力學(xué)體系 牛頓創(chuàng)造性的成果卻無(wú)與倫比。他在劍橋時(shí)期，研究涉及光學(xué)、物理學(xué)中的許多領(lǐng)域。1671年，他制成了反射望遠(yuǎn)鏡，1687年，他的代表作自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理一書(shū)出版。 牛頓作為一個(gè)杰出的科學(xué)家不僅在力學(xué)上作出了重大貢獻(xiàn)，還在許多領(lǐng)域里取得了劃時(shí)代的成果。正如恩格斯所說(shuō)：“牛頓由于發(fā)明了萬(wàn)有引力定律而創(chuàng)立了科學(xué)的天文學(xué)，由于進(jìn)行了光

5、的分解而創(chuàng)立了科學(xué)的光學(xué)，由于創(chuàng)立了二項(xiàng)式定理和無(wú)限理論而創(chuàng)立了科學(xué)的數(shù)學(xué)，由于認(rèn)識(shí)了力的本性而創(chuàng)立了科學(xué)的力學(xué)。” 牛頓對(duì)科學(xué)的杰出貢獻(xiàn)是他建立了經(jīng)典力學(xué)的體系，這集中地體現(xiàn)在他的著名著作自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理一書(shū)中。1687年出版的這部著作共分三卷，第一卷分析了物體在向心力作用下的運(yùn)動(dòng)，第二卷分析了物體在阻力介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)。在這兩卷中，闡述了作為力學(xué)基礎(chǔ)的時(shí)間、空間、質(zhì)量、動(dòng)量、力等基本概念，敘述了運(yùn)動(dòng)的基本定律，即牛頓力學(xué)三定律，解釋了書(shū)中所使用的數(shù)學(xué)問(wèn)題，并用演繹方法推演出萬(wàn)有引力定律。第三卷是關(guān)于宇宙的構(gòu)造，這是用已發(fā)現(xiàn)的力學(xué)定律去解釋哥白尼學(xué)說(shuō)和天體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。 牛頓力學(xué)三定律構(gòu)成了近代

6、力學(xué)的基礎(chǔ)，也是近代物理學(xué)的重要支柱。牛頓對(duì)于力學(xué)的最重要貢獻(xiàn)則是萬(wàn)有引力的發(fā)現(xiàn)。 牛頓的力學(xué)三定律和萬(wàn)有引力定律把天體運(yùn)動(dòng)定律與地上物體運(yùn)動(dòng)定律統(tǒng)一起來(lái)，建立起了經(jīng)典力學(xué)的理論大廈。牛頓把他的力學(xué)理論應(yīng)用于太陽(yáng)系，解決了天體力學(xué)中的一系列問(wèn)題。他拿出了計(jì)算太陽(yáng)質(zhì)量和行星質(zhì)量的方法，證明了地球是一個(gè)赤道凸出的扁球，解釋了歲差現(xiàn)象，說(shuō)明了潮汐的漲落，分析了慧星運(yùn)動(dòng)的軌跡和天體攝動(dòng)現(xiàn)象等。 在18世紀(jì)及以后的一系列事實(shí)，證實(shí)了牛頓力學(xué)的真理性，從而得到了廣泛的承認(rèn)。 對(duì)證實(shí)牛頓萬(wàn)有引力定律有重要意義的事實(shí)，一是哈雷慧星的發(fā)現(xiàn), 二是地球形狀的證實(shí),三是關(guān)于行星攝動(dòng)現(xiàn)象的證實(shí)。此外，如關(guān)于引力常數(shù)G

7、的測(cè)定等，也都證實(shí)了萬(wàn)有引力定律。1781年，英國(guó)天文學(xué)家赫舍爾（17381822）發(fā)現(xiàn)了天王星，首次發(fā)現(xiàn)了行星的攝動(dòng)。1799年，法國(guó)著名科學(xué)家拉普拉斯（17491827）出版了天體力學(xué)一書(shū)，建立了行星運(yùn)動(dòng)的攝動(dòng)理論和行星的形狀的理論，進(jìn)一步證實(shí)了萬(wàn)有引力定律的正確性。在這之后，人們運(yùn)用萬(wàn)有引力定律對(duì)天王星攝動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，預(yù)言了海王星的存在。1845年發(fā)現(xiàn)了海王星，這是對(duì)萬(wàn)有引力定律的有力證明。 一批科學(xué)家以牛頓的學(xué)說(shuō)為基礎(chǔ)，創(chuàng)立了力學(xué)的新的分支。諸如彈性力學(xué)、流體力學(xué)、材料力學(xué)等等。到18世紀(jì)末，牛頓和牛頓力學(xué)已取得了巨大的威望，運(yùn)動(dòng)三定律和萬(wàn)有引力定律的地位已牢牢確立。 第三節(jié)

8、牛頓時(shí)代其他科學(xué)的發(fā)展 十七八世紀(jì)自然科學(xué)的主要成果是牛頓力學(xué)的形成。整個(gè)說(shuō)來(lái)，其他各門(mén)自然科學(xué)尚處在積累資料并逐漸形成為獨(dú)立學(xué)科的時(shí)期。 一、微積分的建立 牛頓和萊布尼茲（16461716）在繼承前人數(shù)學(xué)研究成果的基礎(chǔ)上，分別獨(dú)立地完成了微積分的建立工作。 二、物理實(shí)驗(yàn)研究的新發(fā)現(xiàn) 在牛頓時(shí)代，人們對(duì)光、電、熱等物理現(xiàn)象也開(kāi)展了廣泛的研究，并取得了一批科學(xué)成果。1光學(xué)的成果伽利略曾提出光是按有限速度傳播的。荷蘭數(shù)學(xué)家斯涅耳（15911626）發(fā)現(xiàn)了光的折射定律，提出了折射率概念。丹麥天文學(xué)家雷默算出了光速。在近代科學(xué)發(fā)展的初期，人們就開(kāi)始了對(duì)光的本質(zhì)的研究，科學(xué)史上光的微粒說(shuō)與波動(dòng)說(shuō)之爭(zhēng)長(zhǎng)達(dá)

9、相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間。 牛頓是17世紀(jì)光學(xué)的集大成者。牛頓發(fā)現(xiàn)了光的色散現(xiàn)象，證明了不同光譜色的光可以合成為白色光。牛頓指出，一切自然物體的顏色只是由于它們對(duì)某一種光譜色的光反射得更多些。牛頓關(guān)于顏色的理論，是光學(xué)中的重要突破。牛頓設(shè)計(jì)并制造了反射式望遠(yuǎn)鏡。牛頓對(duì)于光學(xué)的研究成果，集中地反映在1704年出版的光學(xué)一書(shū)中。2 物理現(xiàn)象的新發(fā)現(xiàn)17世紀(jì)聲學(xué)、熱學(xué)和電磁學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究并無(wú)多大進(jìn)展。18世紀(jì)，熱學(xué)上的第一個(gè)重要進(jìn)展是由于德國(guó)的華侖海特（16861736）和瑞典的攝爾西斯（17011744）建立了測(cè)定溫度的標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此發(fā)明了華式和攝氏溫度計(jì)，從而有可能把溫度與熱量區(qū)別開(kāi)來(lái)。英國(guó)物理學(xué)家，化學(xué)家布萊克（

10、17281799）在論證了溫度與熱量區(qū)別的基礎(chǔ)上，進(jìn)而提出了比熱和潛熱的概念。這些概念的形成是18世紀(jì)熱學(xué)的主要成就。熱學(xué)的研究在這時(shí)是同蒸汽力的應(yīng)用分不開(kāi)的。在對(duì)熱的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)上，布萊克等所倡導(dǎo)的熱質(zhì)說(shuō)或熱素說(shuō)則仍占統(tǒng)治地位。 在電和磁學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究方面，英國(guó)劍橋大學(xué)的米歇爾（17241793）在1750年發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)磁極之間的作用力與磁極間距離的平方成反比。 電學(xué)方面在18世紀(jì)的進(jìn)展，首先是因?yàn)橛辛遂o電起電機(jī)和萊頓瓶的發(fā)明。荷蘭萊頓大學(xué)的森布羅克（16921761）和德國(guó)的克萊斯特（17001748）分別發(fā)明了能貯存靜電電能的電容器，即萊頓瓶。靜電起電機(jī)與萊頓瓶的發(fā)明為靜電研究提供了實(shí)驗(yàn)工具。

11、美國(guó)的富蘭克林（17061790）對(duì)閃電的本性作了開(kāi)拓性的勇敢的探索，證實(shí)了地上的靜電與天上的雷電本質(zhì)上相同，由此發(fā)明了避雷針。1785年，法國(guó)軍事工程師通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，建立了靜電荷之間相互作用的數(shù)量關(guān)系式，即庫(kù)侖定律。3近代化學(xué)的初期成果。15世紀(jì)以后，作為化學(xué)原始形式的煉金術(shù)已經(jīng)衰落，代之而起的則是醫(yī)藥化學(xué)。17世紀(jì)的醫(yī)藥化學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一些新的化學(xué)屬性、化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)藥品。17世紀(jì)真正把化學(xué)確立為一門(mén)科學(xué)的是著名的英國(guó)科學(xué)家波義耳（16271691）。他發(fā)現(xiàn)了氣體方面的波義耳定律。波義耳根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)論證了化學(xué)元素的概念，把元素同化合物，混合物區(qū)別開(kāi)來(lái)，使化學(xué)從煉金術(shù)中脫離開(kāi)來(lái)。他在其主要著

12、作懷疑的化學(xué)家一書(shū)中給元素下了比較清楚的定義。波義耳把嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)方法引入了化學(xué)，確立了化學(xué)的獨(dú)立性，成了近代化學(xué)的奠基者。 化學(xué)在十七八世紀(jì)的重要成果是法國(guó)科學(xué)家拉瓦錫建立了氧化燃燒理論。 1774年，英國(guó)化學(xué)家普列斯特利（17331804）通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到一種能夠幫助可燃物質(zhì)燃燒的氣體。拉瓦錫把這種新發(fā)現(xiàn)的氣體命名為氧，并提出了新的燃燒學(xué)說(shuō)，這就徹底地推翻了燃素說(shuō)。對(duì)燃燒現(xiàn)象的深入研究，不僅得到了氧，還導(dǎo)致了18世紀(jì)對(duì)碳酸氣、氫氣、氯氣，氮?dú)獾鹊陌l(fā)現(xiàn)。18世紀(jì)的化學(xué)家們還改進(jìn)了化學(xué)分析方法，發(fā)展了吹管分析，濕法分析等分析方法。這一切為19世紀(jì)原子分子學(xué)說(shuō)的提出，為化學(xué)工業(yè)的成長(zhǎng)，奠定了科學(xué)技術(shù)基

13、礎(chǔ)。 4顯微鏡的發(fā)明與生物學(xué)的成果。1661年，意大利解剖學(xué)家發(fā)現(xiàn)了蛙肺的動(dòng)脈末端與靜脈末端是通過(guò)毛細(xì)血管相連的，證實(shí)了血液的肺循環(huán)過(guò)程。這一發(fā)現(xiàn)是靠顯微鏡實(shí)際觀察的結(jié)果。顯微鏡是推動(dòng)生理學(xué)、生物學(xué)前進(jìn)的重要觀察儀器。經(jīng)荷蘭人列文霍克（16321723）的改進(jìn)，使顯微鏡放大倍數(shù)已達(dá)270倍，這就為觀察生物的微結(jié)構(gòu)和微小的生物提供了有力的工具。胡克在1665年用自制的顯微鏡觀察軟木組織，發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞。馬爾比基（16281694）等人在植物中觀察到了細(xì)胞組織，列文霍克又在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)了血液中的血細(xì)胞，從而揭開(kāi)了細(xì)胞學(xué)研究的序幕。1675年，列文霍克在污水中發(fā)現(xiàn)了大量的極小的動(dòng)物一一一微生物，這就使生

14、物學(xué)的研究進(jìn)入了一個(gè)新的領(lǐng)域，即微生物世界。 自古以來(lái)，在對(duì)于生物物種的由來(lái)的看法上，有所謂的自然發(fā)生說(shuō)。第一個(gè)對(duì)自然發(fā)生說(shuō)提出疑義的是意大利的雷迪（16261676），直到19世紀(jì)，才由巴士德（18221895）的著名實(shí)驗(yàn)，徹底否定了自然發(fā)生說(shuō)。 在十七八世紀(jì)中，關(guān)于物種由來(lái)的問(wèn)題曾發(fā)生過(guò)預(yù)成說(shuō)與漸成說(shuō)的爭(zhēng)論。預(yù)成說(shuō)主張，組成生物驅(qū)體的各種器官，不是新生成的，而是在卵里就已經(jīng)形成了，后來(lái)只不過(guò)是它的擴(kuò)展而已。漸成說(shuō)認(rèn)為，各種器官是由尚未分化的基體漸漸形成的。在十七八世紀(jì)里占統(tǒng)治地位的是預(yù)成說(shuō)。隨著胚胎學(xué)的進(jìn)步，預(yù)成說(shuō)才逐漸破產(chǎn)了。 18世紀(jì)生物學(xué)的重要成就是瑞典學(xué)者林耐（17071778）作

15、的動(dòng)植物分類(lèi)。早在古代就有兩種關(guān)于動(dòng)植物的分類(lèi)方法，一是著眼于物種間的不連續(xù)性，抓住生物的一個(gè)或幾個(gè)特征，把生物劃分為若干類(lèi)群；另一種則著眼于物種間的連續(xù)性，通過(guò)對(duì)生物的不同特征進(jìn)行比較，找到不同生物間的聯(lián)系，把生物界看作是一個(gè)有親緣關(guān)系的生物鏈條。前者通常叫“人為分類(lèi)法”，后者叫“自然分類(lèi)法”。直到17世紀(jì)，由于分類(lèi)方法不統(tǒng)一，動(dòng)植物名稱(chēng)更不統(tǒng)一，這為生物學(xué)研究帶來(lái)許多困難。林耐于1735年出版了自然系統(tǒng)一書(shū)，書(shū)中采用人為分類(lèi)法，把有花植物分為23個(gè)綱，無(wú)花植物為一綱，成為“林式24綱”。綱下又分為目、屬、種，從而建立了植物的分類(lèi)體系。在動(dòng)物分類(lèi)上把動(dòng)物分成6個(gè)綱。林耐還發(fā)展了生物命名的“雙

16、名法”，生物名稱(chēng)用兩個(gè)拉丁字母表示，第一字是表示屬名，第二字表示種名。林耐基本上完成了生物的人為分類(lèi)，也使后人有可能進(jìn)一步研究物種之間的關(guān)系和物種進(jìn)化。在18世紀(jì)時(shí)也有人堅(jiān)持自然分類(lèi)法。演化思想的先驅(qū)者法國(guó)的布豐（17071788）認(rèn)為，自然界是沒(méi)有柵欄的，把生物分為不連續(xù)的綱、目、屬、種是錯(cuò)誤的。布豐從他的觀點(diǎn)出發(fā)，寫(xiě)了動(dòng)物自然史，對(duì)大量動(dòng)物進(jìn)行了詳細(xì)分類(lèi)。布豐并且主張大自然能夠從一個(gè)原始的類(lèi)型發(fā)展出一切其他的生物種類(lèi)，最早提出了物種演化的觀念。第四節(jié) 科學(xué)觀與自然觀的變革 從16世紀(jì)中葉由哥白尼發(fā)起的天文學(xué)革命，到17世紀(jì)末葉牛頓經(jīng)典力學(xué)體系的建立，是近代自然科學(xué)發(fā)展的第一個(gè)時(shí)期。經(jīng)典力學(xué)

17、體系的建立，標(biāo)志著理論自然科學(xué)首先在力學(xué)領(lǐng)域誕生了。理論自然科學(xué)是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，并且是定量地表述自然規(guī)律的一種知識(shí)體系。它與古代自然哲學(xué)的直覺(jué)猜測(cè)不同，又與實(shí)用科學(xué)的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)匯集有根本的區(qū)別。力學(xué)在這一時(shí)期里作為帶頭學(xué)科，它的概念和方法對(duì)其他自然科學(xué)的發(fā)展有著深刻的影響。哈維血液循環(huán)理論的建立，使醫(yī)學(xué)、生理學(xué)、生物學(xué)從神學(xué)中解放出來(lái)，生理學(xué)、胚胎學(xué)取得了獨(dú)立的科學(xué)地位，動(dòng)植物分類(lèi)系統(tǒng)的建立，又為生物學(xué)研究開(kāi)辟了道路；化學(xué)擺脫了煉金術(shù)的形式，經(jīng)波義耳確立為獨(dú)立學(xué)科；聲、光、電、磁、熱等物理現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究取得了新的進(jìn)展。 一、科學(xué)觀的變革 科學(xué)內(nèi)容及由此而引起的科學(xué)形態(tài)的變革，極大地影響了人

18、們對(duì)科學(xué)的基本看法，引起了科學(xué)觀的變革。在這一時(shí)期，推動(dòng)科學(xué)前進(jìn)的力量，當(dāng)然還不完全是出于功利主義的目的。但是近代自然科學(xué)的發(fā)展，卻逐漸證明了它自身的價(jià)值。近代自然科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要特點(diǎn)，就是許多科學(xué)都表現(xiàn)出對(duì)當(dāng)時(shí)一些主要技術(shù)問(wèn)題的關(guān)切。技術(shù)的改進(jìn)需要不斷地應(yīng)用科學(xué)，科學(xué)的重要性逐漸地為人們所認(rèn)識(shí)。17世紀(jì)的培根和笛卡兒就深信人類(lèi)可以建立完整的自然科學(xué)知識(shí)體系，因而就會(huì)一大比一天生活得更好。 18世紀(jì)的多數(shù)學(xué)者不僅相信科學(xué)會(huì)有益于人類(lèi)的進(jìn)步，而且相信人類(lèi)能得到充分可靠的自然知識(shí)，相信自然界可以被人正確地認(rèn)識(shí)。神學(xué)統(tǒng)治科學(xué)的日子已經(jīng)結(jié)束，神學(xué)雖然還可以歪曲科學(xué)的成果，但已無(wú)法阻止科學(xué)的前進(jìn)。 二、自然觀的變革 隨著近代科學(xué)的發(fā)展，不僅推動(dòng)了科學(xué)觀的變革，也使自然觀發(fā)生了巨大的變化，形成了機(jī)械唯物主義的自然觀。由于當(dāng)時(shí)科學(xué)發(fā)展?fàn)顩r的限制，這種自然觀有明顯的形而上學(xué)和機(jī)械論的特征。在這種形而上學(xué)的自然觀看來(lái)，自然界是絕對(duì)不變的，自然界的一切從來(lái)就是如此，將來(lái)也是這樣。 牛頓時(shí)代的自然科學(xué)主要是力學(xué)達(dá)到了比較完善的程度，因而人們往往用力學(xué)的尺