第三章-近代自然科学的全面发展

第三章近代自然科学的全面发展教学内容：1．知道星云假说和地质学的发展。2．知道植物学的进展。3．知道十九世纪化学的发展。4．知道细胞学说和生物进化论的发展。教学目的：通过本次课的教学，使学生了解星云假说和地质学的发展植物学的进展,化学的发展,细胞学说和生物进化论的发展。教学学时：2学时,多媒体教室讲授2学时课程类型及教学方法：新授理论课(电子课件)重点难点：星云假说和地质学的发展植物学的进展,化学的发展,细胞学说和生物进化论的发展教学过程：近代自然科学的全面发展从根本上说，产业革命开始了科学和大工业紧密结合的新时期，但这个新时期的特点，在产业革命百余年之后，即19世纪末期才显示出来。在19世纪末，科学和技术直接的关系表现为两种相反的情况，一种情况是生产问题的解决主要是依靠工匠的经验和手艺，生产并没有尖锐地感到只依靠经验知识已经不够，迫切需要利用利用自然科学的成果。所以往往是在科学理论上还没有搞清楚的情况下，技术上已经初步得到了实现。例如，蒸汽机的发现和制造比热力学理论领先了半个世纪；电磁方程发现之前，第一台电报机就已经造成了。另一方面的情况是，在科学理论上已经发现了一些带有规律性的东西，却没有在技术上很快实现出来。例如，麦克斯韦1865年就从电磁理论中预言电磁波的存在，但直到20世纪初才开始用于广播。从19世纪下半叶开始，各主要资本主义国家进入了产业革命时期，生产的发展，不仅为自然科学提供了新的事实材料和新的工具，而且使研究领域扩大了，为时除了力学外，物理学、化学、生物学、地质学等研究高级运动的科学相继发展起来。相应地，自然科学的研究方法发生了飞跃，它开始从分门别类的研究过渡到阐明自然界各个过程的联系，从一成不变地分析育成的事实过渡到考察自然过程的变化和发展，从用力学的尺度去衡量一切过渡到阐明各种运动形式的特殊本质。总之，自然科学由运用观察、实验、解剖等经验方法收集积累材料阶段，进入到对所获得的经验进行综合整理并从理论上加以概括说明的阶段。以牛顿力学为代表的科学精神和方法的传播，导致了18世纪英国的工业革命、法国的政治革命和德国的哲学革命，从而形成了“技术机械化和人类理性化”的时代。科学进入19世纪后继续在征服蒙昧的过程中乘风破浪、扬帆远航。19世纪，可以说是一个“科学总动员”的世纪。在经过了整整两个世纪的酝酿之后，科学终于登堂入室进入人类历史的正殿。19世纪，人类研究自然的视野不断拓宽，从太阳系拓展到银河系，从生物的整体深入到组成生物的基本单元细胞，从动植物到人类，从体表到体内，从物体到组成物体的基本单元分子和原子；这是一个创建理论体系的科学时代，涌现出一大批影响至今的科学理论：细胞学说，原子学说，进化学说，地质均变论，人类起源学说，电磁转换学说，能量守恒学说；这是一个科学推动技术和产业发展的世纪，化学理论的应用产生出化工产业，电磁理论的外延诞生出电力产业。当这个世纪即将结束时，已经微露出新世纪科技辉煌的曙光。普朗克的量子理论，麦克斯韦的电磁理论，为新物理学的诞生铺垫了道路，孟德尔的遗传学理论即将在新的世纪绽开绚丽的花朵。许多科学部门开始从经验的描述上升到理论的概括。科学对生产的指导作用真正开始出现，并直接导致了以电的广泛应用为主体的第二次技术革命。科学思想、科学精神和科学方法深入社会各个领域，对自然的探索也更多地转移到对人类理性的研究，科学在公民心中树立了良好的形象。19世纪真正成为“科学的世纪”。天地演化的研究天文学的进展1755年德国哲学家康德（I.Kant,1724—1804）提出了关于太阳系起源的星云假说。虽然这只是一种高度猜想性的假说，对于当时的天文学影响不大，但它本质上是给形而上学的自然观打开了第一个缺口。1796年法国的拉普拉斯出版了《宇宙系统论》，独立地提出了太阳系起源的星云假说。与康德相比更加完善，数学认证更加严密，因此星云假说受到了普遍关注，被称为康德—拉普拉斯星云假说。按照康德—拉普拉斯星云假说，太阳及其行星都有一个历史的演化过程，它们是由原始弥漫物质星云逐渐凝聚而成的，不断收缩的星云的中心部分凝聚成太阳，大体上在同一平面上的环状弥漫星云物质收缩凝聚成了行星。星云假说，尽管在科学上还有汛问题，但是其演化发展的科学思想对于19世纪的科学产生巨大的影响。1781年，威廉.赫歇耳制造了许多大型望远镜。磨制出售的望远镜至少有76架。自用的反射望远镜最大口径1.2米，为当时世界之最；用此巨大的望远镜，发现了天王星。用自制望远镜作巡天观测时偶然发现了天王星，后又发现了天王星和土星各自的两颗卫星，为此荣获英国皇家学会科普利奖章，并被选为会员；1783年至1802年，威廉·赫歇尔首次发现了太阳的自行，并确定了太阳所在的恒星系统－－银河系的形状和大小，用统计法首次确认了银河系为扁平状圆盘的假说；发现了太阳的空间运动。他发现并测定出太阳的向点位于武仙座λ附近，与现代的公认值十分接近。证明太阳仍然不是宇宙的中心，从而使人类的认识又从太阳系扩展到银河系。后来从事星团、星云和双星的研究，集20年观测成果，汇编成3部星云和星团表，共记载了2500个星云和星团，其中仅100多个系前人已知，还发现了双星、三合星和聚星848个；因威廉·赫歇尔在天文学特别是恒星观察领域业绩卓著，后人将他誉为“恒星天文学之父”。地质学的进展地质学在18世纪开始成为一门独立的科学。18世纪中期到19世纪中期被称为地质学的英雄时代。英国的史密斯（W.smith,1769——1839）常被誉为“地层学之父”，他的贡献可总结为下列四点。一是发现了老地层在下、新地层在上的地层序列（或称地层层序律），二是确定了化石鉴定法则，三是确定了英国中生界的序列，四是完成了英格兰和威尔士的地质图。他的著作于1817年出版后，其工作方法逐渐被英国地质学者所理解。几乎与史密期同时的是法国科学家居维叶和布隆尼亚尔在巴黎盆地的工作。他们都已明确地认识到，不同时代的地层中有不同的化石。居维叶（G·Cuvier，1769～1832）是位杰出的动物学家、古生物学家，是比较解剖学的创始人。他提出了著名的器官相关律。在《论地球表面的变动》中，他提出了著名的灾变论。居维叶的灾变论只强调地质过程的突变和飞跃，甚至提出神创论，把超自然力说成是地质变动的根本原因。英国地质学家赖尔（C.Lyell,1797—1875）深受法国博物学家拉马克的影响。在1830—1833年写出《地质学原理》一书，倡导“古今一致”和“将古论今”的方法论原则，以丰富的资料说明了地球表面的演变。他提出地球缓慢进化的“渐变论”，驳斥了当时居维叶所主张的“灾变论”和他的继承者所宣传的神创说。他指出地壳的变化不是突如其来的灾难性的剧变，而是在漫长历史进程中由于内力（地震、火山）和外力（风、雨、温度变化等）的长期作用而势在必行发生的。他的观点，人地质学方面有力地支持了康德学说中关于自然界生成的观点，也是打破形而上学自然观的重要科学根据。达尔文的《物种起源》发表后，赖尔热情地支持了进化论的观点。后来，他在1863年写成《古代人类》一书，书中就完全采纳了生物进化论的思想。物理学的进展能量守恒定律（物理学第二次大综合）瓦特发明了蒸汽机后，法国工程师沙第.卡诺第一个对蒸汽机的效率进行了精密的物理和数学分析。建立卡诺原理。1824年二十八岁的卡诺发表了《关于火的动力及产生这种动力的机器》一文，阐述了他的理想热机理论。在这篇论文中，卡诺明确指出，热机只能在具有温差的两个热源之间工作。当热从高温热源象瀑布那样流向低温热源时，热机才能作功。热机的效率与工作介质无关而主要取决于两个热源之间的温差。所论述的理论，实际上已包括了人们后来所总结出来的热力学第二定律：热只能在从高温热源转向低温热源的过程中作功。只是由于卡诺当时还相信热质说，因此对他所发现的这一定律作了错误的理论解释。德国医生迈尔1840年当了从荷兰到爪哇几个月的随船医生。当海轮驶经热带海域时，很多船员患了肺炎，在医治中迈尔发现病人的静脉血比在欧洲时见到的病人的静脉血的颜色要红些。他在给生病的船员放血时，发现他们的静脉血不象生活在温带国家中的人的静脉血那样颜色暗淡，而是象动脉血那样新鲜。当地医生告诉他，这种现象在热带地区是到处可见的。他认为体力和体热来源于食物中所含的化学能，提出如果动物体能的输入同支出是平衡的，那么，所有这些形式的能在量上就必定守恒。他还听到海员们说，下雨时海水比较热。这些现象引起了迈尔的深思。为此，他还进行了一些简单的实验。通过这些实验，他初步测算出热功当量为365克米/卡。十八世纪，人们对热的本质的研究走上了一条弯路，“热质说”在物理学史上统治了一百多年。虽然曾有一些科学家对这种错误理论产生过怀疑，但人们一直没有办法解决热和功的关系的问题，是英国自学成才的物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳为最终解决这一问题指出了道路。焦耳在1818年12月24日生于英国曼彻斯特，他的父亲是一个酿酒厂主。焦耳自幼跟随父亲参加酿酒劳动，没有受过正规的教育。青年时期，在别人的介绍下，焦耳认识了著名的化学家道尔顿。焦耳最初的研究方向是电磁机，他想将父亲的酿酒厂中应用的蒸汽机替换成电磁机以提高工作效率。1840年，焦耳把环形线圈放入装水的试管内，测量不同电流强度和电阻时的水温。通过这一实验，他发现：导体在一定时间内放出的热量与导体的电阻及电流强度的平方之积成正比。四年之后，俄国物理学家楞次公布了他的大量实验结果，从而进一步验证了焦耳关于电流热效应之结论的正确性。因此，该定律称为焦耳—楞次定律。以后，进一步设想电池电流产生的热与电磁机的感生电流产生的热在本质上应该是一致的。1843年，焦耳设计了一个新实验。将一个小线圈绕在铁芯上，用电流计测量感生电流，把线圈放在装水的容器中，测量水温以计算热量。这个电路是完全封闭的，没有外界电源供电，水温的升高只是机械能转化为电能、电能又转化为热的结果。上述实验也使焦耳想到了机械功与热的联系，经过反复的实验、测量，焦耳终于测出了热功当量，但结果并不精确。1843年8月21日在英国学术会上，焦耳报告了他的论文《论电磁的热效应和热的机械值》。之后，不断改进实验方法，直到1878年，这时距他开始进行这一工作将近四十年了，他已前后用各种方法进行了四百多次的实验。他在1849年用磨擦使水变热的方法所得的结果跟1878年的是相同的，即为423.9千克重米/千卡。一个重要的物理常数的测定，能保持三十年而不作较大的更正，这在物理学史上也是极为罕见的事。这个值当时被大家公认为热功当量J的值，它比现在J的公认值——427千克米/千卡约小0.7%。焦耳在研究过程中的许多实验是和著名物理学家威廉·汤姆生（后来受封为开尔文勋爵）共同完成的。在焦耳发表的九十七篇科学论文中有二十篇是他们的合作成果。当自由扩散气体从高压容器进入低压容器时，大多数气体和空气的温度都要下降，这一现象就是两人共同发现的。这一现象后来被子称为焦耳—汤姆生效应。1847年，德国物理学家赫耳姆茨于发表《论力的守恒》，第一次系统地阐述了能量守恒原理，从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示其运动形式之间的统一性，它们不仅可以相互转化，而且在量上还有一种确定不易的关系。能量守恒与转化使物理学达到空前的综合与统一。被称为物理学上第二次大综合。他并提出，自然科学的基本任务“就在于把一切自然现象归结为其大小决定于距离的、不变的吸引力和排斥力”。他把中心力看作机械运动的最后的原因。能量守恒定律的发现与热现象的研究联系密切，这一定律发现之后立刻被克劳修斯（r.J.E.Clausius,1822—1888）和汤姆逊（W.Thomson,1824—1907）用于热力学系统，被称为热力学第一定律。该定律否定了那些不需消耗能量就能输出功的永动机。此后通过对卡诺热机的研究很快得到了热力学第二定律。1850年克劳修斯将热力学第二定律表述为：热不可能自发地从较热物体转移到较冷的物体。1851年汤姆逊将热力学第二定律表述为：从单一热源吸取能量使之完全变成有用的功而不产生其他效应是不可能的。这两种表述是等价的。18