经典物理学发展历史与建立过程研究

1、经 典 物 理 学发展历史和建立过程研究物理学主要研究的是物质，在时空中物质的运动，和所有相关概念，包括能量和作用力。更广义地说，物理学是对于大自然的研究分析，目的是为了要明白宇宙的行为。物理学是最古老的学术之一，在过去的两千年里，物理学与哲学，化学等等经常被混淆在一起，相提并论。直到十六世纪科学革命之后，才单独成为一门现代科学。现在，物理学已成为自然科学中最基础的学科之一。物理学的影响深远，这是因为物理学的突破时常会造成新科技的出现，物理学的新点子很容易会引起其它学术领域产生共鸣。从古希腊自然哲学到伽利略和牛顿的经典物理学，大致经历了四个阶段：古希腊时期、中世纪时期、文艺复兴时期、科学革命时

2、期。每个时期有着不同的特点，也都有各自具有代表性的人物与学说。本文将以时期为分界线，以各个时期的代表性学说为线索，深入探讨从古希腊自然哲学到伽利略和牛顿经典物理学的发展历史和建立过程。一、 古希腊时期 古希腊的自然哲学最早是由奴隶制城邦米利都的哲学家们提出的。他们的自然观是朴素和原始的，但是却有着重大的意义：它打破了古希腊人关于世界起源的神话信仰，而代之以纯粹的理性解释。（1） 、古希腊物质本原思想元素论。元素论起源于城邦时期。米利都学派创始人泰勒斯认为万物本原是水；其学生阿那克西曼德，认为世界的本原应是无任何固定性质的“无限者”，即没有固定的界限、形式和性质的东西，由它生出土、水、气、火等；

3、阿那克西曼德的学生阿那克西米尼，则将万物的本原看作是“空气”；赫拉克利特认为是“火”；恩培多克勒提出“四根说”，即物质由土、水、气、火四种元素构成。亚里士多德在总结前人研究的基础上，提出：地上万物由土、水、气、火四种元素组成，月层以上的天体由以太组成，而元素又由冷、热、干、湿这四种更基本的基质构成。数的和谐思想。创始人是毕达哥拉斯。他认为世界是一个超感性世界，是一个“数”的世界。数是万物本原，有了一个一个的数，才有了几何上的点，有了点才有线、面和立体，有了立体才有土、水、气、火四种元素等。由于注重数的比例关系，发现了数学上的毕达哥拉斯定理（勾股定理）与音乐上的五度相生律。认为世界上的一切现象和

4、规律都服从“数的和谐”，这种“数的和谐”表现为数学上的简单性、对称性与和谐性。毕达哥拉斯学派对数的尊崇形成了对数的神秘主义，但他们对“数的和谐”的追求，却形成了理性的数学传统。对后来自然科学的孕育、形成和发展产生了巨大作用。“数的和谐”成为后来以至今天科学研究的一个重要指导原则。由“数的和谐”发展为“宇宙的和谐”的观念成为历代科学家的指导思想与科学方法。原子论。创始人是米利都学派的留基伯和其学生德谟克利特(公元前460-前370)。接受了毕达哥拉斯的超感性世界的认识，但不接受“数”的本原观点。他将微观的几何点同“存在”结合起来，认为“存在”是不可分的、不变的、球形的。并将“存在”取名为“原子”

5、。100年后雅典的伊壁鸠鲁发展了这一学说：原子本身不仅有形式上的差别，还有大小和重量的不同。只要不遇到任何阻抗，原子在虚空中以同样的速度运动着。但是，由于原子内部的原因，原子在运动中会发生偏斜，由于这种偏斜使原子产生涡旋运动。罗马科学家卢克莱修也继承和传播了原子论。并用尘埃在阳光中的飞舞比喻原子的运动。(二)、古希腊的物理学知识古希腊的物理知识主要集中在力学和光学两个方面。力学主要有亚里士多德的动力学思想和阿基米德的静力学。亚里士多德的力学研究。关于空间：他认为空间即意味着不动。并提出了空间位置的相对性，如“同一位置可以是右也可以是左，可以是上,也可以是下。”但他认为宇宙有限和天球以外是空虚的

6、。关于时间：他认为时间就是描述运动的数。他说“时间是使运动成为可以记数的东西”“我们不仅用时间计量运动，也用运动计量时间，因为他们是相互确定的”。他认为时间不同于运动，运动有快有慢，而时间的流失则是均匀的。关于运动：他认为运动就是变化，并将自然界的运动分为自然运动和强迫运动。阿基米德的力学成就。阿基米德是古希腊最著名的物理学家，数学和力学大师。后人称其为“物理学之父”。著有论平面的平衡论浮体，其数学研究在欧几里德之后达到那个时代的顶点。他发现了杠杆原理、浮力定理，证明了正圆柱体 内切球的体积与该圆柱体积之比为2:3，提出了重心的概念和物体重心的求法，计算了的数值在3又10/71和3又1/7之间

7、，发明了滑轮组，发明了阿基米德螺旋提水器等。二、中世纪时期(一)、阿拉伯人的物理成就阿勒哈增著有光学全书,研究了眼睛的结构，如“网膜”、“角膜”、“玻璃状体”、“前房液”等术语均出自于他。认为视觉是光线从物体发出进入人眼所致；认为光的入射线、反射线和法线都在一个平面内；研究了球面镜、抛物镜成像问题；正确解释了太阳、月亮在地平线附近看起来较大的原因。阿勒哈兹尼著有智慧秤的故事，可以测量空气中和水中物体的重量,从而编出比重表；发现了水的比重随温度的不同而不同；发现空气有重量，因而阿基米德定律在空气中也适用；指出大气的密度与高度有关；提出物质的量与重量不同，两者成正比关系；最早提出速度的概念：用路程

8、与时间之比表示速度。(二)、 欧洲人的研究工作 阿拉伯在8-9世纪开始大量翻译希腊的经典著作。从10世纪中叶开始，欧洲一些学者，将阿拉伯文的书翻译成拉丁文。到12世纪，翻译活动形成了更高的浪潮。这种翻译活动为后来的文艺复兴和科学革命准备了学术上的重要条件。另一重要事件是大学的建立。12-13世纪，在欧洲建立了牛津大学(1168)、剑桥大学(1209)、巴黎大学(1253)和波伦亚大学；后来人们仿照这三所大学又建立了一些大学，同时在大学内又相继成立了一大批专门的学院，这些学院对中世纪晚期学术发展发挥了重要作用。罗吉尔培根。大胆同迷信、反动教会作斗争，是近代自然科学的先驱。他提倡实验方法研究自然，

9、重视对数学的研究。三、文艺复兴时期机械论的提出。机械论观点认为：首先，这个世界是由几种要素结合而成的；其次，对这些要素的行为不能像亚里士多德那样，只用目的论来解释，而要从因果性上去理解。具体的讲，要素的性质和行为，能够用力学术语来描述。所有的自然现象，都可以通过要素的力学行为从结构上加以说明，要站在这种立场上来研究自然现象。近代科学，由于机械论世界观的确立，开始有可能建立起来了。理论与实践开始结合。文艺复兴时期另一促成近代科学产生的进步是打破了之前理论与实践彼此分离的局面。在文艺复兴时期，理论与实践开始结合起来。这种现象的原因之一在于文艺复兴的艺术家贯通了这两个领域：他们既是出类拔萃的匠人，也

10、对科学理论进行了深入地研究，促进了数学和科学的发展。他们使科学比过去更重视经验和实践。另外，过分偏重神学的大学的威望下降及有闲阶层对炼丹术和占星术兴趣越来越大，也是个中原因。开普勒的贡献。开普勒是一个深受毕达哥拉斯和柏拉图影响的数学家，他坚信上帝是按照完美的数学原则来创造世界的。他以数学的和谐来探索宇宙体系。开普勒是星学之王第谷的助手，第谷在临终前将自己多年积累的天文观测资料全部交给了开普勒，于是开普勒一边根据第谷的观测资料重新编制行星表，并于1627年出版了卢道夫行星表，一边进行着对行星轨道特点的研究。发现火星轨道是一种椭圆，并进而发现每个行星都沿椭圆轨道运动，太阳就在一个焦点上；接着又发现

11、面积定律。开普勒的上述重要发现，为牛顿创立天体力学理论奠定了基础。开普勒是用数学公式表达物理定律并成功的人之一。从此开始，数学方程就成为表达物理定律的基本方式。伽利略的运动理论。运动的描述和分类：提出将运动分为匀速运动和变速运动。自落体定律：从思想实验得出的一个佯谬入手，对亚里士多德的落体学说反驳；通过数学推导出自由落体为匀加速运动；设计了“冲淡重力”实验，即著名的“斜面实验”为了把斜面实验推广到竖直情况的自由落体运动，提出了“等末速度假设”，并用一个单摆实验验证了假设。由等末速度假设得到了沿斜面下滑的加速度g1和重力加速度g之间的关系。惯性原理：“等末速度假设”和单摆摆球的等高性实验，把伽利

12、略引向另一个理想实验，“任何速度一旦施加给一个运动着的物体，只要除去加速或减速的原因，此速度就可保持不变；不过，这是只能在水平面上发生的一种情形。”这一思想实验，有力地证明了外力不是物体运动的原因，而是运动速度变化的原因。运动的独立进行原理：假设物体以水平初速度抛出，这时物体将同时参与一个匀速的水平运动和一个匀加速的下落运动这两个运动既不彼此影响、干扰，也不互相妨碍”。这就是运动的独立进行原理。相对性原理：在批驳“倘若地球运动，就会把地球上面的物体抛到后面去”的谬论时，伽利略指出，从行驶的航船的桅杆上落下的石子，仍会落在桅杆脚下；只要船的运动是均匀的，也不忽左忽右摆动，人们所观察到的现象同船静

13、止时完全一样，人们跳向船尾不会比跳向船头更远；从挂着的水瓶中滴下的水滴仍会滴进下方的罐子里；蝴蝶和苍蝇四处飞行，决不会向船尾集中，或者是为了赶上船的运动而显出疲劳的样子。这些现象表明，在船里所做的任何观察和实验，都不能够判断船究竟是在运动还是停止不动。”这一原理的发现，是人类科学史上的一个重大飞跃，对物理学基础理论的发展产生了深刻的影响。四、科学革命时期牛顿的绝对时空观：时间是绝对的，空间是绝对的，运动是绝对的，而静止则是相对的。“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而在均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着”；(“绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的

14、和不动的”；“绝对运动是一个物体从某一绝对处所向另一绝对处所的移动”；“真正的、绝对的静止，是指这一物体继续保持在不动的空间中的同一个部分而不动”。在此基础上，牛顿提出了三大定律。牛顿第一定律（惯性定律）：任何一个物体在不受任何外力或受到的力平衡时，总保持匀速直线运动或静止状态，直到有作用在它上面的外力迫使它改变这种状态为止。牛顿第二运动定律：物体的加速度跟物体所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。牛顿第三运动定律：两个物体之间的作用力和反作用力，在同一直线上，大小相等，方向相反。万有引力定律的建立。英国的胡克、伦恩和哈雷在引力问题的研究上都做出了重要贡献。胡克最早觉察到引力与重力有同样本质，他曾在山顶和矿井下进行实验，以确定重力随离地心的距离而变化的关系，但没得出结果。1680年初，在给牛顿的信中，胡克提出了引力反比距离的平方的猜想；1679年哈雷和伦恩导出了作用于行星的引力与它们到太阳的距离的平方成反比，但是，他们还不能证明行星在椭圆轨道下也是如此。1684年810月，牛顿作了论运动的演讲，明确叙述了向心力定律，证明了椭圆轨道运动的平方反比关系。后来又定义了质量的概念，探讨了引力和质量的关系，才把他引向万有引力定律的发现。牛顿通过靠近地面的“小月亮”运动的思想实验，论证了“使月球保持在它轨道上的力，就是我们通常称为重力的力”。 通