第一编+近代科学技术-第一章+近代自然科学的初步发展.

第一编近代科学技术近代自然科学的初步发展14-15世纪欧洲国家几个关键事件科学革命的突破经典力学的奠基近代科学的第一次大综合其他学科的初步发展近代科学方法14-15世纪欧洲国家几个关键事件14世纪发端于意大利的文艺复兴14-15世纪的宗教改革运动意大利、地中海沿岸手工业的兴起远洋航海与地理大发现东方文明对西方文明的影响14世纪发端于意大利的文艺复兴“这是一次人类从来没有经历过的最伟大的、进步的变革”──恩格斯中国、印度和和阿拉伯等东方文化和科学技术在中世纪陆续传入欧洲后，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。欧洲人从阿拉伯人那里重新发现了希腊文明。文艺复兴以复兴古典文化为口号，发掘、光大古希腊文化，树立起理性主义和人文主义大旗，反对神权和封建特权，提倡个性自由。它不只是一场复兴古典文化的运动，更是一场新时代的启蒙运动，导致了欧洲历史转折、思想解放、学术发达、巨人辈出，开创了人类历史长河中的一个光辉时代。“人是一个什么样的杰作呀！人的理性多么高贵！人的能力无穷无尽！人的洞察力多么宛若神明！”─莎士比亚拉斐尔的《雅典学院》表现了文艺复兴时代的人们对希腊理性精神的崇拜。14-15世纪的宗教改革运动燃宗教改革运动之火的是德国教士马丁.路德（1483－1546年），他的新教学说竭力摆脱教会的统治，主张在信仰领域个人的自由，表达了经过中世纪长期宗教精神束缚的人们心中那种追求自由、平等的理想。起源于中国的印刷技术这时在欧洲得到了光大，它得以使新的思想广泛传播，从而促进了宗教改革运动的发展。自我解放伴随着对自然的观察和研究更加客观和自由。意大利、地中海沿岸手工业的兴起地理大发现带来了经济的急剧扩张，使西欧工商业空前发展，为资本主义的发展提供了广阔舞台，加速了封建制度的瓦解和资本主义的发展。商业的发达，使意大利的威尼斯等地成为繁华的海上贸易中心，继尔佛罗仑萨成为重要的商业和文化中心。远洋航海与地理大发现“我要废寝忘食地工作，作为一个细心的航海家，我将竭尽全力地完成使命，以坚韧不拔的毅力战胜一切艰难险阻。”──哥伦布致西班牙国王陛下的信15世纪是人类向地球上未知的海洋和陆地进军的时代。1403年，郑和率领庞大的舰队西周游南海各地并远航至阿拉伯地区和非洲东海岸。觊觎东方财富的欧洲冒险家们则向南和向东探险。1488年，巴托罗缪.狄亚士绕过好望角，达.伽马于1497－1499年间完成的航行最终确定了从欧洲经印度洋到东方的航线。虽然很早就有学者知道地球是圆的，但哥伦布固执地相信它并没有人们说的那样大，因此他才坚持认为向西航行也可以到达遍地是黄金和香料的东方。这一错误的估计使他作出那胆大包天的探险计划，1492年由他率领的三艘帆船抵达美洲大陆。1519－1522年间，葡萄牙人麦哲伦率领的船队最终完成了人类首次环球航行。东方文明对西方文明的影响英国政治家、哲学家培根在1960年曾指出，三大发明改变改变了整个世界事务的面貌和状态；没有哪个帝国，没有哪个教派，没有哪个大人物对人类事务的影响，能像这三大发明那样巨大和深远。……马克思：火药，指南针，印刷术----这是预告资产阶级社会到来的三大发明，火药…骑士，指南针…殖民市场，印刷术…新教工具，……科学革命的突破1543年在科学史上是极为重要的一年，哥白尼的《天体运行论》和维萨留斯的《人体的构造》同于此年出版。天文学革命医学生理学革命天文学革命在哥白尼所处的时代，托勒密的“地心说”在欧洲占统治地位。中世纪的教会把地心说加以神化，用它来作为证明上帝存在的依据。哥白尼认为托勒密由于没有区别现象和本质，将假象视为了真实。由于感觉不到地球的自转，以致只感觉到太阳每天从东方升起而在西方下落，这正象人们坐在大船上行驶时，往往感觉不到船在动，而只见到岸上的东西在往后移动一样。于是，哥白尼提出了日心说并发表了巨著《天体运行论》。他勇敢地提出了太阳是宇宙的中心，地球不是宇宙的中心，它只是围绕太阳运转的一颗普通行星。由于哥白尼受时代和阶级的局限，还不能完全摆脱旧的传统观念的影响。他沿袭了古希腊唯心学派关于圆形是最完美的形状的说法，认为行星绕太阳运行的轨道是圆形的而且是匀速运动的。可事实证明了行星绕太阳运行的轨道是椭圆形的，而且是不等速的。哥白尼学说的这些不完善之处，得到了布鲁诺和开普勒的发展和完善。哥白尼“太阳中心说”的诞生，使天文学从宗教神学的束缚下解放出来，自然科学从此获得新生，这在近代科学的发展史上具有划时代的意义。哥白尼革命可以说是标志着自然科学开始从宗教神学中解放出来，并宣告了自己的独立。“哥白尼学说撼动人类意识之深，自古以来无一种创见、无一种发明可与伦比。当大地是球形被哥伦布证实以后不久，地球为宇宙主宰的尊号也被剥夺了。自古以来没有这样天翻地覆的把人类意识倒转过来的。如果地球不是宇宙的中心，无数古人相信的事物将成为一场空了。谁还相信伊甸的乐园、赞美诗的歌颂、宗教的故事呢！”──歌德医学生理学革命西方医学中的一个特点是对于外科的研究并注意以解剖学为基础。文艺复兴以来，一批艺术家，医学家不仅从事动物解剖，而且从事解剖研究。达芬奇为了确定人体的正确比例和结构，亲自解剖尸体，画出了许多精细的解剖图。他曾研究过心脏的肌肉并画出心脏瓣膜图，用水的循环来比喻血的运行，表述了血液循环的概念。1543年，比利时医生维萨里发表了《人体的结构》。通过解剖，确定了男女的肋骨数目相等，并不像《圣经》上说的女人是用男人的一条肋骨创造的因而男人比女人少一条肋骨。他的结论动摇了天主教会的教条。宗教裁判所以盗尸和巫师罪判处他死刑。维萨里纠正了古罗马医生盖仑的许多错误。他通过解剖实践证明人的心脏的隔很厚，由肌肉组成，血液不可能如同盖仑所说是通过中隔从右心室流入左心室。西班牙医生塞尔维亚于1553年提出了血液小循环理论。他也因其异端的神学观点被加尔文派新教处以死刑。在烧死前还活活烤了两个小时。英国医生哈维在1628年出版了《心血血循环运动论》，即提出了血液大循环理论。经典力学的奠基开普勒的空中立法伽利略的实验开普勒的空中立法丹麦天文学家第谷·布拉赫（公元1546～1601年）所做的非常精密的天体观测。他的主要观测活动用都是在丹麦和瑞典间的一个小岛的观天堡天文台进行的，从公元1576年到1597年历时21年。在没有望远镜的年代，观测全凭肉眼。第谷的观测达到肉眼观测所能达到的最高水平。托勒密的观测精度是误差在10角分（天空一周为360度，1度分为60分或称60角分）左右，而第谷的观测精度提高了5倍，误差只有2角分。德国天文学家开普勒（公元1571～1630年）根据第谷遗留下来的大批资料，于公元1609年提出了行星运动的第一、第二定律，10年后又提出了行星运动的第三定律，而这第三定律正是牛顿推导万有引力定律的出发点。1601年，第谷逝世。约翰·开普勒接替了第谷的工作，开始编制鲁道夫星表。但开普勒的兴趣和注意力却更多的放在改进和完善哥白尼的日心说上，在探讨行星轨道性质的研究上。他发现第谷的观测数据，与哥白尼体系、托勒密体系都不符合。他决心寻找这种不一致的原因和行星运行的真实轨道。最初的研究从观测与理论差异突出的火星着手。他运用传统的匀速圆周运动加偏心圆来计算，均遭到失败。经过长达4年近70次各种行星轨道形状设计方案的计算，开普勒认识到哥白尼体系的匀速圆周运动和偏心圆的轨道模式与火星的实际运动轨道不符。于是他大胆的抛弃了统治人类思想达2000年之久的匀速圆周运动偏见，尝试用别的几何曲线来表示火星轨道的形状。他认为行星运动轨道的焦点应该在产生引力中心的太阳上，并进而断定火星运动的线速度不是匀速的，近太阳时快些，远太阳时慢些并得出结论：太阳至火星的直径在一天内扫过的面积是相等的。开普勒行星运动三大定律行星的运动轨迹的轨道不是传统的正圆形而是椭圆形，而且太阳处于椭圆焦点之一的位置上。相等时间间隔内，行星和太阳的连线在任何地点沿轨道所扫过的面积相等。行星公转周期的平方比等于轨道半长轴的立方比。p1p4p3p2若TP2-TP1=TP4-TP3，则STP2-TP1=STP4-TP3开普勒的三定律是天文学的又一次革命，它彻底摧毁了托勒密繁杂的本轮宇宙体系，完善和简化了哥白尼的日心宇宙体系。开普勒对天文学最大的贡献在于他试图建立天体动力学，从物理基础上解释太阳系结构的动力学原因。虽然他提出有关太阳发出的磁力驱使行星作轨道运动的观点是错误的。但它对后人寻找出太阳系结构的奥秘具有重大的启发意义，为经典力学的建立、牛顿的万有定律的发现，都作出重要的提示。伽利略的实验经历了“哥白尼革命”以后，科学摆脱了神学和经院哲学的束缚，实验和观察成为知识的源泉和检验真理的标准。意大利物理学家伽利略（公元1564～1642年）于公元1609年发明天文望远镜，从而揭开了天文观测的新纪元。伽利略通过一系列有关运动物体的实验，推翻了以亚里士多德为代表的传统运动观念，他用自己制造的望远镜来观察天体，观察到月球凹凸不平的表面，发现了环绕木星的四颗卫星等许多过去肉眼无法看到的天文现象，为哥白尼的日心说提供了有力的证据。他重视实验和数学工具的做法标志着近代科学的出现。在伽利略之前，一切科学、哲学问题，全部包括在亚里士多德(前384～前322)的学说里。后者可是一位古圣人，他的思想被奉为金科玉律。当时，要是有学生提出一个问题，老师只消一句话：“这是亚里士多德说的”，问者便不敢再生怀疑。而伽利略却与众不同，凡事，不但喜欢多想一想，还要去试一试。1590年，25岁的伽利略，对亚里士多德的一个经典理论提出怀疑。亚氏说，如果把两件东西从空中扔下，必定是重的先落地，轻的后落地。伽利略却认为是同时落地。这自然没有人信他的，于是他决心搞一次实验，让人们亲自看看。比萨斜塔实验比萨城里有一座斜塔，拔地之后，却向一边斜去。这塔建于1174年，开始还是直的，但建到三层时开始偏斜，只好停工。过了94年后人们终不死心，又继续施工。最后共修了八层，高54.5米，重14200多吨。没想到这个偶然的施工错误，倒造成了世界上独一无二的名胜。说起意大利的斜塔，谁人不知，何人不晓。一天，年轻的伽利略宣布要进行一次试验，一群教授大为不满，便一起到校长面前告他的状。校长转念一想，这样也好，让他当众出一次丑，也好杀杀他的傲气。这时，早有一群喜欢新奇的学生，将他们的老师伽利略拥到塔下。一会儿，伽利略便爬上斜塔七层的阳台。塔下已是人头攒动，比萨大学的校长、教授、学生，还有许多看热闹的市民，将斜塔围了个水泄不通。………伽利略对科学作出了许多贡献，但最主要的贡献是对于地面物体运动的研究得到了惯性定律。这对牛顿力学的建立起非常重要的作用。近代科学的第一次大综合牛顿的综合万有引力定律牛顿的综合英国物理学家牛顿（I.Newton,1642-1727）将哥白尼、第谷、开普勒、伽利略、笛卡儿和其他学者在天文学和动力学上的发现汇集起来，加上他自己在数学和力学上的创见，把物体的运动规律归结为三条基本运动定律和万有引力定律，由此建立起一个完整的力学理论体系。概括成迄今为止仍能站得住脚的经典力学体系，运用他的运动定律和万有引力定律对极其广泛的自然现象，从天体运行、潮汐涨落到物体坠地，做出统一解释，成为科学史上伟大的成就之一。他把过去一向认为是截然无关的地球上所谓“世俗”的运动和日月星辰那些属于神圣的“天堂”的运动统一在同一理论框架之中。这可以说牛顿力学是人类认识自然的历史中第一次理论的大综合。牛顿定律的基本内容第一定律：即惯性定律，任何物体都保持静止或匀速直线运动状态，直到其他任何物体所作用的力迫使它改变这种状态。第二定律：物体受到外力时，物体所获得的加速度的大小与合外力的大小成正比，而与物体的质量成反比，加速度的方向与合外力的方向相同。即：F=ｍa(其中ａ=dv/dt)。第三定律：当物体A以力Ｆ作用于物体B上，物体Ｂ也必定同时以F’作用在物体A上F和F’在一条直线上，大小相等方向相反。即：F=—F’注意现代的观点看来，上面牛顿第二定律的形式只适用于低速情况，普适的情况应是牛顿当初的形式F=dP/dt。万有引力定律万有引力定律：F=G（Mｍ/R2）其中G=6.