经典力学体系的建立

1、第七章 经典力学体系的建立经过许多科学家的努力,在天文学和力学方面已经积累了丰 富的资料。 在此基础上, 牛顿实现了天上力学和地上力学的综合, 形成了统一的力学体系。这是人类认识自然历史的第一次大飞跃 和理论大综合。它开辟了一个新的时代,并对科学发展的进程以 及后代科学家们的思维方式产生了极其深刻的影响。牛顿力学的 建立是科学形态上的重要变革, 标志着近代理论自然科学的诞生, 并成为其他各门自然科学的典范。然而,在十七八世纪里其他自 然科学仍处在积累资料的阶段。第一节 经典力学体系化的知识基础以研究机械运动为对象的力学, 在 17世纪下半叶建立了一个 普遍的力学体系, 绝不是偶然的, 是由多方

2、面的原因造成的结果。 欧洲经过 16世纪百余年的宗教和政治改革的大变动之后, 到 17世纪下半叶进入了一个政治上较为安宁, 经济上趋于繁荣的时 期。生产实践为力学研究提出了许多问题,这就给科学的发展以 推动力。推动科学家们研究天体运动规律的另一个原因则是由于科学 自身发展的要求。例哥白尼学说提出了许多悬而未决的问题。诸 如行星运动的轨道形状问题,为什么行星要沿着一定的轨道绕日 运行问题等等。这些问题的研究并不是出于某种实用的目的,但 它对科学未来的发展却具有极重要的价值。正是这种研究为近代 力学的体系化奠定了知识基础。为牛顿力学的建立打下重要基础的有一系列的科学家,特别 是伽利略与开普勒(15

3、711630对牛顿力学的建立有着非常重 要的影响。伽利略通过对自由落体的研究,已经发现了惯性运动和在重 力作用下的匀加速运动,奠定了牛顿第一定律和第二定律的基本 思想。伽利略关于抛物体运动定律的发现,对牛顿万有引力的学 说也有深刻的启示作用。天文学家开普勒所发现的行星运动定律则是牛顿万有引力学 说产生的最重要前提。 1609年,开普勒出版了他的新天文学 一书,公布了太阳系行星运动的两条基本定律:行星运动第一定律:行星的轨道为椭圆,太阳在椭圆的一个 焦点上;行星运动第二定律:在相等的时间内,行星和太阳的联线所 扫过的面积相等,亦称面积定律。在这之后,开普勒又发现了行星运动第三定律:太阳系中任 何

4、两颗行星公转周期的平方比等于它们轨道半径(半主轴长的 立方比,亦称周期定律。行星运动三定律的发现,使整个太阳系的运动的图景以更加 简单明了的形式被揭示出来。由于开普勒的发现,使太阳系成为 一个严格按照确定规律运行的力学系统。因此,西方人把开普勒 称为“天空立法者” 。第二节 牛顿和他的力学体系牛顿创造性的成果却无与伦比。他在剑桥时期,研究涉及光 学、物理学中的许多领域。 1671年,他制成了反射望远镜, 1687年,他的代表作自然哲学的数学原理一书出版。牛顿作为一个杰出的科学家不仅在力学上作出了重大贡献, 还在许多领域里取得了划时代的成果。 正如恩格斯所说:“牛顿由 于发明了万有引力定律而创立

5、了科学的天文学,由于进行了光的 分解而创立了科学的光学,由于创立了二项式定理和无限理论而 创立了科学的数学,由于认识了力的本性而创立了科学的力学。 ” 牛顿对科学的杰出贡献是他建立了经典力学的体系,这集中 地体现在他的著名著作自然哲学的数学原理一书中。 1687年 出版的这部著作共分三卷,第一卷分析了物体在向心力作用下的 运动,第二卷分析了物体在阻力介质中的运动。在这两卷中,阐 述了作为力学基础的时间、空间、质量、动量、力等基本概念, 叙述了运动的基本定律,即牛顿力学三定律,解释了书中所使用的数学问题,并用演绎方法推演出万有引力定律。第三卷是关于 宇宙的构造,这是用已发现的力学定律去解释哥白尼

6、学说和天体 运动的规律。牛顿力学三定律构成了近代力学的基础,也是近代物理学的 重要支柱。牛顿对于力学的最重要贡献则是万有引力的发现。 牛顿的力学三定律和万有引力定律把天体运动定律与地上物 体运动定律统一起来,建立起了经典力学的理论大厦。牛顿把他 的力学理论应用于太阳系,解决了天体力学中的一系列问题。他 拿出了计算太阳质量和行星质量的方法,证明了地球是一个赤道 凸出的扁球,解释了岁差现象,说明了潮汐的涨落,分析了慧星 运动的轨迹和天体摄动现象等。在 18世纪及以后的一系列事实,证实了牛顿力学的真理 性,从而得到了广泛的承认。对证实牛顿万有引力定律有重要意义的事实,一是哈雷慧星 的发现 , 二是地

7、球形状的证实 , 三是关于行星摄动现象的证 实。此外,如关于引力常数 G 的测定等,也都证实了万有引力定 律。 1781年, 英国天文学家赫舍尔 (17381822 发现了天王星, 首次发现了行星的摄动。 1799年,法国著名科学家拉普拉斯 (17491827出版了天体力学一书,建立了行星运动的摄 动理论和行星的形状的理论,进一步证实了万有引力定律的正确 性。在这之后,人们运用万有引力定律对天王星摄动现象进行复 杂的计算,预言了海王星的存在。 1845年发现了海王星,这是对 万有引力定律的有力证明。一批科学家以牛顿的学说为基础, 创立了力学的新的分支。 诸如弹性力学、 流体力学、 材料力学等等

8、。 到 18世纪末, 牛顿和 牛顿力学已取得了巨大的威望,运动三定律和万有引力定律的地 位已牢牢确立。第三节 牛顿时代其他科学的发展十七八世纪自然科学的主要成果是牛顿力学的形成。整个说来,其他各门自然科学尚处在积累资料并逐渐形成为独立学科的 时期。一、微积分的建立牛顿和莱布尼兹(16461716在继承前人数学研究成果的 基础上,分别独立地完成了微积分的建立工作。二、物理实验研究的新发现在牛顿时代,人们对光、电、热等物理现象也开展了广泛的 研究,并取得了一批科学成果。1.光学的成果伽利略曾提出光是按有限速度传播的。荷兰数学家斯涅耳 (15911626发现了光的折射定律,提出了折射率概念。丹麦 天

9、文学家雷默算出了光速。在近代科学发展的初期,人们就开始 了对光的本质的研究,科学史上光的微粒说与波动说之争长达相 当长时间。牛顿是 17世纪光学的集大成者。牛顿发现了光的色散现象, 证明了不同光谱色的光可以合成为白色光。牛顿指出,一切自然 物体的颜色只是由于它们对某一种光谱色的光反射得更多些。牛 顿关于颜色的理论,是光学中的重要突破。牛顿设计并制造了反 射式望远镜。 牛顿对于光学的研究成果, 集中地反映在 1704年出 版的光学一书中。2. 物理现象的新发现17世纪声学、热学和电磁学的实验研究并无多大进展。 18世纪,热学上的第一个重要进展是由于德国的华仑海特 (16861736和瑞典的摄尔西

10、斯(17011744建立了测定温 度的标准,据此发明了华式和摄氏温度计,从而有可能把温度与 热量区别开来。英国物理学家,化学家布莱克(17281799在 论证了温度与热量区别的基础上, 进而提出了比热和潜热的概念。 这些概念的形成是 18世纪热学的主要成就。 热学的研究在这时是 同蒸汽力的应用分不开的。在对热的本质的认识上,布莱克等所倡导的热质说或热素说则仍占统治地位。在电和磁学的实验研究方面, 英国剑桥大学的米歇尔 (1724 1793 在 1750年发现了两个磁极之间的作用力与磁极间距离的平 方成反比。电学方面在 18世纪的进展, 首先是因为有了静电起电机和莱 顿瓶的发明。荷兰莱顿大学的森

11、布罗克(16921761和德国的 克莱斯特(17001748分别发明了能贮存静电电能的电容器, 即莱顿瓶。静电起电机与莱顿瓶的发明为静电研究提供了实验工 具。美国的富兰克林(17061790对闪电的本性作了开拓性的 勇敢的探索,证实了地上的静电与天上的雷电本质上相同,由此 发明了避雷针。 1785年,法国军事工程师通过实验测定,建立了 静电荷之间相互作用的数量关系式,即库仑定律。3.近代化学的初期成果。15世纪以后,作为化学原始形式的炼金术已经衰落,代之而 起的则是医药化学。 17世纪的医药化学家们发现了一些新的化学 属性、 化学反应和化学药品。 17世纪真正把化学确立为一门科学 的是著名的英

12、国科学家波义耳 (16271691 。 他发现了气体方面 的波义耳定律。波义耳根据大量的实验论证了化学元素的概念, 把元素同化合物, 混合物区别开来, 使化学从炼金术中脱离开来。 他在其主要著作怀疑的化学家一书中给元素下了比较清楚的 定义。波义耳把严格的实验方法引入了化学,确立了化学的独立 性,成了近代化学的奠基者。化学在十七八世纪的重要成果是法国科学家拉瓦锡建立了氧 化燃烧理论。1774年,英国化学家普列斯特利(17331804通过实验得 到一种能够帮助可燃物质燃烧的气体。拉瓦锡把这种新发现的气 体命名为氧, 并提出了新的燃烧学说, 这就彻底地推翻了燃素说。 对燃烧现象的深入研究, 不仅得到

13、了氧, 还导致了 18世纪对碳酸 气、氢气、氯气,氮气等的发现。 18世纪的化学家们还改进了化学分析方法，发展了吹管分析，湿法分析等分析方法。这一切为 19 世纪原子分子学说的提出，为化学工业的成长，奠定了科学技 术基础。 4显微镜的发明与生物学的成果。1661 年，意大利解剖学 家发现了蛙肺的动脉末端与静脉末端是通过毛细血管相连的，证 实了血液的肺循环过程。这一发现是靠显微镜实际观察的结果。 显微镜是推动生理学、生物学前进的重要观察仪器。经荷兰人列 文霍克（16321723）的改进，使显微镜放大倍数已达 270 倍， 这就为观察生物的微结构和微小的生物提供了有力的工具。胡克 在 1665 年

14、用自制的显微镜观察软木组织， 发现了细胞。 马尔比基 （16281694）等人在植物中观察到了细胞组织，列文霍克又在 显微镜下发现了血液中的血细胞， 从而揭开了细胞学研究的序幕。 1675 年， 列文霍克在污水中发现了大量的极小的动物一一一微生 物，这就使生物学的研究进入了一个新的领域，即微生物世界。 自古以来，在对于生物物种的由来的看法上，有所谓的自 然发生说。第一个对自然发生说提出疑义的是意大利的雷迪 （16261676） ，直到 19 世纪，才由巴士德（18221895）的著 名实验，彻底否定了自然发生说。 在十七八世纪中，关于物种由来的问题曾发生过预成说与渐 成说的争论。预成说主张，组

15、成生物驱体的各种器官，不是新生 成的，而是在卵里就已经形成了，后来只不过是它的扩展而已。 渐成说认为，各种器官是由尚未分化的基体渐渐形成的。在十七 八世纪里占统治地位的是预成说。随着胚胎学的进步，预成说才 逐渐破产了。 18 世纪生物学的重要成就是瑞典学者林耐（17071778）作 的动植物分类。早在古代就有两种关于动植物的分类方法，一是 着眼于物种间的不连续性，抓住生物的一个或几个特征，把生物 划分为若干类群；另一种则着眼于物种间的连续性，通过对生物 的不同特征进行比较，找到不同生物间的联系，把生物界看作是 发展简史 041027 6 一个有亲缘关系的生物链条。前者通常叫“人为分类法” ，后

16、者叫 “自然分类法” 。直到 17 世纪，由于分类方法不统一，动植物名 称更不统一， 这为生物学研究带来许多困难。 林耐于 1735 年出版 了自然系统一书，书中采用人为分类法，把有花植物分为 23 个纲，无花植物为一纲，成为“林式 24 纲” 。纲下又分为目、属、 种，从而建立了植物的分类体系。在动物分类上把动物分成 6 个 纲。林耐还发展了生物命名的“双名法” ，生物名称用两个拉丁字 母表示，第一字是表示属名，第二字表示种名。林耐基本上完成 了生物的人为分类，也使后人有可能进一步研究物种之间的关系 和物种进化。 在 18 世纪时也有人坚持自然分类法。 演化思想的先驱者法国 的布丰（1707

17、1788）认为，自然界是没有栅栏的，把生物分为 不连续的纲、目、属、种是错误的。布丰从他的观点出发，写了 动物自然史 对大量动物进行了详细分类。 ， 布丰并且主张大自 然能够从一个原始的类型发展出一切其他的生物种类，最早提出 了物种演化的观念。 第四节 科学观与自然观的变革 从 16 世纪中叶由哥白尼发起的天文学革命，到 17 世纪末叶 牛顿经典力学体系的建立，是近代自然科学发展的第一个时期。 经典力学体系的建立，标志着理论自然科学首先在力学领域诞生 了。理论自然科学是建立在实验基础之上，并且是定量地表述自 然规律的一种知识体系。它与古代自然哲学的直觉猜测不同，又 与实用科学的经验知识汇集有根

18、本的区别。力学在这一时期里作 为带头学科，它的概念和方法对其他自然科学的发展有着深刻的 影响。哈维血液循环理论的建立，使医学、生理学、生物学从神 学中解放出来，生理学、胚胎学取得了独立的科学地位，动植物 分类系统的建立，又为生物学研究开辟了道路；化学摆脱了炼金 术的形式，经波义耳确立为独立学科；声、光、电、磁、热等物 理现象的实验研究取得了新的进展。 发展简史 041027 7 一、科学观的变革 科学内容及由此而引起的科学形态的变革，极大地影响了人 们对科学的基本看法，引起了科学观的变革。在这一时期，推动 科学前进的力量，当然还不完全是出于功利主义的目的。但是近 代自然科学的发展，却逐渐证明了

19、它自身的价值。近代自然科学 发展的一个重要特点，就是许多科学都表现出对当时一些主要技 术问题的关切。技术的改进需要不断地应用科学，科学的重要性 逐渐地为人们所认识。 世纪的培根和笛卡儿就深信人类可以建 17 立完整的自然科学知识体系，因而就会一大比一天生活得更好。 18 世纪的多数学者不仅相信科学会有益于人类的进步， 而且 相信人类能得到充分可靠的自然知识，相信自然界可以被人正确 地认识。神学统治科学的日子已经结束，神学虽然还可以歪曲科 学的成果，但已无法阻止科学的前进。 二、自然观的变革 随着近代科学的发展，不仅推动了科学观的变革，也使自然 观发生了巨大的变化，形成了机械唯物主义的自然观。由于当时 科学发展状况的限制，这种自然观有明显的形而上学和机械论的 特征。在这种形而上学的自然观看来，自然界是绝对不变的，自 然界的一切从来就是如此，将来也是这样。 牛顿时代的自然科学主要是力学达到了比较完善的程度，因 而人们往往用力学的尺度去衡量一切，用力学的原理去解释一切 自然现