物理学方法论作业

1、攻读硕士学位研究生作业封面（2014至2015学年度第二学期）题 目 物理学方法论第二章作业 科 目 物理学方法论 姓 名 董文军 专 业 学科教学（物理） 简短评语成绩：授课教师签字：物理学方法论第二章作业伽利略生平简介：意大利数学家、物理学家、天文学家，科学革命的先驱。伽利略发明了摆针和温度计，在科学上为人类作出过巨大贡献，是近代实验科学的奠基人之一。历史上他首先在科学实验的基础上融汇贯通了数学、物理学和天文学三门知识，扩大、加深并改变了人类对物质运动和宇宙的认识。伽利略从实验中总结出自由落体定律、惯性定律和伽利略相对性原理等。从而推翻了亚里士多德物理学的许多臆断，奠定了经典力学的基础，反

2、驳了托勒密的地心体系，有力地支持了哥白尼的日心学说。他以系统的实验和观察推翻了纯属思辨传统的自然观，开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学。因此被誉为“近代力学之父”、“现代科学之父”。其工作为牛顿的理论体系的建立奠定了基础 。伽利略倡导数学与实验相结合的研究方法，这种研究方法是他在科学上取得伟大成就的源泉，也是他对近代科学的最重要贡献。伽利略认为经验是知识的唯一源泉，主张用实验数学方法研究自然规律，反对经院哲学的神秘思辨。深信自然之书是用数学语言写的，只有能归结为数量特征的形状、大小和速度才是物体的客观性质。他是利用望远镜观察天体取得大量成果的第一人。伽利略对17世纪的

3、自然科学和世界观的发展起了重大作用。从伽利略、牛顿开始的实验科学，是近代自然科学的开始。一、伽利略在物理学实验方法论上对物理学的贡献主要有哪些方面？伽利略在物理思想和方法上的贡献主要有以下几个方面，第一，提出科学问题的方式.亚里士多德追求终极的目的因,伽利略追求的是直接动力因；第二，对科学实验、观察的强调；第三，物理学中的理想实验方法的创立,伽利略很多研究是用理想实验方法，这不同于物理实验,它是一种形象的逻辑思维方法；第四，归谬法在物理学中的首次应用，归谬法是毕达哥拉斯学派在对不是有理数的证明中创建的，但伽利略首次在反驳亚里士多德重物落得快时用于物理学。后来的各种佯谬都同这有关，这也是一种逻辑

4、证明；第五，物理定律的定量数学表达，这种定量表达近代始于与伽利略同时代的开普勒,但伽利略也属于先驱之一；第六，伽利略为使科学从神学的束缚下解放出来,提出科学实验是检验科学真理的标准，为此他同经院哲学家、神学家斗争。 伽利略既然被尊为近代物理学之父,他对物理学的贡献应该有一个标志，这个标志足以区分近代物理学和中世纪欧洲的哲学。一些学者认为伽利略提出问题的方式是近代物理学的标志，中世纪欧洲经院哲学家崇拜古希腊的亚里士多德,追求终极的目的因，历史证明对终极目的因的追求是一个无果之花,它导致中世纪欧洲科学技术的进展非常缓慢。而对直接动力因的追求则证明是硕果累累,近代物理学走上了顺利发展之路。二、伽利略

5、在哪些方面继承了亚里士多德的理论？你如何看待伽利略对亚里士多德观点的批判？伽利略利用“落体佯谬”的理想实验，从亚里士多德的“重物的下落比轻物为快”的原理导出了“重物的下落比轻物为慢”的悖论。他用“对接斜面”的理想实验推翻了亚里士多德关于“外力是物体维持其运动的原因”的教条，提出了“惯性原理”。伽利略对亚里士多德观点的批判是伽利略对真理的追求，亚里士多德是世界古代史上最伟大的哲学家、科学家和教育家。他创立了形式逻辑学，丰富和发展了哲学的各个分支学科，对科学作出了巨大的贡献。伽利略的批判促使了科学的进步，并没有否定亚里士多德的贡献。三、伽利略在得到自由落体运动和斜面运动的规律时运用了哪些物理学方法

6、论？（一）在得到自由落体运动规律时运用的物理学方法论1.运用理想实验的推理法推翻一个相反的假设（亚里斯多德关于下落的速率正比于重量的假设）。2.提出物体在真空中同时落地的假设，并推理出在空气中几乎同时落地比不同时落地更有意义（不同时落地是由于空气摩擦造成的，是一个较小的差异；而如果在真空中两个物体落地的时间是相同的）。3.用抽气机的实验，通过在真空玻璃管中观察一根羽毛和一枚硬币的同时下落来验证这个假设。（二）在得到斜面运动规律时运用的物理学方法论采用“实验归纳演绎”的方法论，具体如下：1.一个物体自由下落或沿斜面下滑的运动都是匀加速运动，在相等时间内得到相等的速度增量。于是给出加速度定义（表示

7、为）。（提出假设）2.用实验直接在斜面上测量很困难，转向测量与时间、速率及加速度的关系。（实验验证）3.自由落体运动与沿斜面下滑的运动遵循相同的运动规律。（分析推理）4.由斜面的匀加速运动的定理，进而得到关于落体的定律。（推广结论）四、伽利略也提出了惯性的概念，为什么称惯性定律为牛顿第一定律而不称为伽利略第一定律？伽利略根据理想实验得出推论：“一个运动的物体，假如有了某种速度以后，只要没有增加或减小速度的外部原因，便会始终保持这一速度这个条件只有在水平的平面上才有可能，因为在斜面的情况下，朝下的斜面提供了加速的原因，而朝上的斜面提供了减速的原因。由此可见，只有在水平面上运动才是不变的。”（两种

8、新科学的对话）他所说的水平面是和地球同心的球面，也就是说，那种没有增加或减小速度外部原因的物体，其不变的运动是圆周运动。他对圆运动是最自然最完善的思想印象太深，以致对开普勒的行星椭圆轨道理论不感兴趣。他不承认宇宙的无限性，因此认为，沿直线的无限匀速运动是不可能的，只能是沿着地球表面的圆运动，他只承认圆惯性运动，而不承认直线惯性运动，因此未能将惯性运动推广到一切运动上。伽利略把产生加速或减速的原因归之于靠近或者离开地球中心的倾向，也就是说他还没有建立起物体相互作用的清晰概念。他既没有找出改变运动状态的原因是力，也没有发现力与运动之间严格的关系。所以说，伽利略首先提出了惯性运动这一思想，但还不能说

9、他发现了惯性定律。伽利略逝世两年后，笛卡儿补充和完善了伽利略的论点，他强调惯性运动的直线性。他在哲学原理一书中这样描述：“所有的运动，其本身都是沿直线的。”笛卡儿认为惯性运动不仅仅局限于水平面上的运动，而是包括一切方向上的运动。笛卡儿在哲学原理中的表述为：“只要物体开始运动，就将继续以同一速度并沿着同一直线方向运动，直到遇到某种外来原因造成的阻碍或偏离为止。”这一叙述尽管包含了“不受任何力”的思想，但还没有明确提出，所以说笛卡儿的叙述还不是真正意义上的惯性定律。牛顿继承了伽利略重视实验和逻辑推理的研究方法，也继承了笛卡地的研究成果。经过深入研究，澄清了力的概念，确立了经典力学的基础牛顿运动定律

10、。牛顿在1687年出版的自然哲学的数学原理一书中对第一定律的表述为：“一切物体总保持静止或匀速直线运动状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止”牛顿第一定律真正揭示了力与运动的关系：力是物体运动状态变化的原因，而不是维持物体运动状态的原因。这是伽利略和笛卡儿都没能解决的。从此惯性定律才真正成为力学理论的基础。所以称惯性定律为牛顿第一定律而不称为伽利略第一定律。五、从伽利略的科学成就中你能够对近代物理学家的思想方法做一些概括和分析吗？观察法，第谷二十一年如一日地观察并记录行星和恒星在天空的位置,达到了单凭肉眼观察无法超越的精确性；十八世纪因牛顿万有引力定律而发现的海王星很早就曾作为无名星体躺在一些

11、天文学家的观察材料里。理想实验法，实验过程是借助于逻辑推理,以理想模型为基础,在抽象思维领域中进行的,兼具思维性和实验性。伽利略理想实验通过小球、斜面、平面、光滑、圆等都是我们日常可见到的事物或者能感知的事物性质,而非毫无根据的臆想,其实验过程可以进行思维模拟。更重要的是,这些实验帮助我们达到物质实验无法达到的领域,思维再现不可能在现实中进行的实验程序,如果辅之以理性思辨能力合逻辑地推论,其实验结果与物质实验结果一样为真。伽利略运用一系列理想实验逻辑运作具体运动实验过程,这样的实验弥补了当时实验仪器粗糙不精确的缺陷。这些理想实验是伽利略科学理论概念与观察实验具体交结之点,是抽象理性思维与感性观

12、察实验共同培育出的智慧之花。 牛顿的科学观是因果决定论，他认为天体运动的原因就是万有引力，行星运动的规律是由万有引力定律决定的。他根据万有引力定律成功地解释了行星、卫星和彗星的运动，直至最微小的细节，同样也解释了潮汐和地球的进动。在牛顿力学中只要知道质点在初始时刻的位移和速度，根据牛顿定律就可以预言其后时刻的运动情况，这是典型的因果描写。牛顿研究方法的一大特点是对错综复杂的自然现象敢于简化，善于简化，从而建立起理想的物理模型。牛顿研究方法的另一特色是运用形象思维的方法，进行创造性的思维活动，他构思了一些神奇理想实验，创造了新的物理图象，来揭示天体运动与地面上物体运动的统一性。爱因斯坦的科学思想

13、与科学方法坚持了自然科学的唯物主义传统，体现了物质世界统一性的思想，注意发展创造性思维能力和独立思考能力。六、为什么伽利略的两本著作会遭到教会的强烈反对，甚至他本人也会受到教会的迫害？伽利略历史上他首先提出并证明了同物质同形状的两个重量不同的物体下降速度一样快，他反对教会的陈规旧俗，由此，他晚年受到教会迫害，并被终身监禁。他以系统的实验和观察推翻了亚里士多德诸多观点。因此,他被称为“近代科学之父”。他的工作,为牛顿的理论体系的建立奠定了基础。15、16世纪的欧洲,正是封建社会向资本主义社会转变的关键时期。长期以来,为了巩固封建统治的秩序，神权统治的欧洲，用神学代替了科学，用野蛮代替了自由。神学

14、家们荒诞地宣称，宇宙是一个充满“各种等级的天使和一个套着一个的水晶球”，而静止不动的地球就居于这些水晶球的中心。他们推崇古希腊天文学家托勒密的“地球是宇宙中心”的学说，因为在神学家看来，太阳是围绕地球运转的，因为上帝创造太阳的目的，就是要照亮地球，施恩于人类，这是永恒不变、颠扑不破的真理。为了维护这个荒谬的理论,天主教会的宗教裁判所不惜用恐怖的暴力对付一切敢于提出异议的人们。伽利略是布鲁诺的同时代人，早在帕多瓦大学执教时，他就读过哥白尼的著作试论天球运行的假说。这位杰出的波兰天文学家在这本书中大胆地提出太阳是太阳系的中心，地球和其他行星都围绕着太阳运转的理论，即太阳中心说，一开始就引起伽利略的

15、极大兴趣。但是伽利略是个科学态度十分严肃的学者，他想过去都说是太阳围着地球运转，哥白尼却提出相反的看法，到底哪一个正确呢？伽利略没有轻率地下结论，他决定用自己的望远镜来证实谁是谁非。1616年2月,宗教裁判所宣布，不许伽利略再宣传哥白尼的学说，无论是讲课或写作，都不得再把哥白尼学说说成是真理。在教会的威胁下，伽利略被迫作了放弃哥白尼学说的声明。但是伽利略的内心深处并没有放弃哥白尼学说，相反继续不断的观测和深入研究，使他更加坚信哥白尼学说是完全正确的科学理论。经过长久的酝酿构思，用了差不多5年时间，一部伟大的著作关于两种世界体系的对话终于诞生了。关于两种世界体系的对话表面上是以三个人对话的形式，

16、客观地讨论托勒密的地心说与哥白尼的日心说，对谁是谁非进行没有偏见的探讨。但是当这本书好不容易在1632年2月出版时，细心的读者不难看出，这本书以充分的论据和大量无可争辩的事实，有力地批判了亚里士多德和托勒密的错误理论，科学地论证哥白尼的日心说，宣告了宗教神学的彻底破产。因此，伽利略的著作遭到教会的强烈反对，他本人也会受到教会的迫害。弗朗西斯·培根生平简介：弗朗西斯·培根，第一代圣阿尔本子爵（1st Viscount St Alban），英国文艺复兴时期最重要的散文家、哲学家。他不但在文学、哲学上多有建树，在自然科学领域里，也取得了重大成就。培根是一位经历了诸多磨难的贵族子弟

17、，复杂多变的生活经历丰富了他的阅历，随之而来的，他的思想成熟，言论深邃，富含哲理。他的整个世界观是现世的而不是宗教的（虽然他坚信上帝）。他是一位理性主义者而不是迷信的崇拜者，是一位经验论者而不是诡辩学者；在政治上，他是一位现实主义者而不是理论家。他曾说过：“知识就是力量。”弗朗西斯·培根（Francis Bacon，1561 - 1626）在1561年出生于伦敦一个官宦世家，父亲尼古拉·培根是伊丽莎白女王的掌玺大臣，曾在剑桥大学攻读法律，他思想倾向进步，信奉英国国教，反对教皇干涉英国内政；母亲安妮·培根是一位颇有名气的才女，她精通希腊文和拉丁文，是加尔文教派的信徒

18、。良好的家庭教育使培根各方面都表现出异乎寻常的才智。1573年，年仅12岁的培根被送入剑桥大学三一学院深造，大学中的学习使他对传统观念和信仰产生了怀疑，开始独自思考社会和人生的真谛。三年后，培根作为英国驻法大使的随员旅居法国巴黎。短短两年半的时间里，他几乎走遍了整个法国，这使他接触到不少新的事物，汲取了许多新的思想，并且对其世界观的转变产生了极大的影响。1579年，父亲突然病逝，他要为培根日后赡养之资的计划破灭，培根不得不回到伦敦。由于生活开始陷入贫困，在回国奔丧之后，培根进入了葛雷法学院，一面攻读法律，一面四处谋职。1582年，21岁的培根取得了律师资格，此时，培根思想上更为成熟了，他决心把

19、脱离实际、脱离自然的一切知识加以改革，并且把经验和实践引入认识论。这是他“复兴科学”的伟大抱负，也是他为之奋斗一生的志向。1584年，23岁的他当选为国会议员。1589年，成为法院出缺后的书记然而这一职位竟长达20年之久没有出现空缺。他四处奔波，却始终没有得到任何职位。 1602年，伊丽莎白去世，詹姆士一世继位。由于培根曾力主苏格兰与英格兰的合并，受到詹姆士的大力赞赏。培根因此平步青云，扶摇直上。1602年受封为爵士，1604年被任命为詹姆士的顾问，1607年被任命为副检察长，1613年被委任为首席检察官，1616年，被任命为枢密院顾问，1617年提升为掌玺大臣，1618年晋升为英格

20、兰的大陆官，授封为维鲁兰男爵，1621年又授封为奥尔本斯子爵。但培根的才能和志趣不在国务活动上，而存在与对科学真理的探求上。这一时期，他在学术研究上取得了巨大的成果。并出版了多部著作。1621年，培根被国会指控贪污受贿，被高级法庭判处罚金四万磅，监禁于伦敦塔内，终生逐出宫廷，不得任议员和官职。虽然后来罚金和监禁皆被豁免，但培根却因此而身败名裂。从此培根不再理政事，开始专心从事理论著述。1626年，3月底，培根坐车经守伦敦北郊。当时他正在潜心研究冷热理论及其实际应用问题。当路过一片雪地时，他突然想作一次实验，他宰了一只鸡，把雪填进鸡肚，以便观察冷冻在防腐上的作用。但由于他身体孱弱，经受不住风寒的

21、侵袭，支气管炎复发，病情恶化，于1626年4月9日清晨病逝。七、为什么培根被称为“近代实验始祖”？他对实验方法论的贡献主要有哪些？培根是近代实验科学的先驱。他积极主张并且从事科学实验活动。认为观察和实验才是获得真知的唯一方法。培根在物理学方面，特别是对于光学的研究极为深刻。他所从事的科学实验工作，大多是光学的内容，有不少光学实验是根据阿尔·海兹恩的著作进行的。他的多数光学理论研究，都是以实验为基础的，并且设想如何应用于生活实际中去。如通过实验他研究了凸透镜的放大效果，以及光的反射和折射规律，便设想制造出望远镜、显微镜和眼镜等。他还通过实验证明了虹是太阳光照射空气中的水珠而形成的自然现

22、象，并非是什么上帝所造。培根主张观察和实验才是获得真知的唯一方法，因此他的科学研究具有朴素的唯物主义色彩。他提出要改革哲学的学科内容，以适应现实的需要。他在哲学、学科组成中提出了“实验科学”的新学科。其提出的新学科有五部分组成，既数学、语言学、透视学、实验科学和伦理学，体现了他提倡的科学理性精神。作为中世纪时期最著名的科学家和哲学家，培根长期在牛津大学从事科学研究，这些成果已经达到近代科学的要求。他研究的范围十分广泛，不仅研究“实验科学”的新学科，还包括天象、闪电、炼金术、火药、显微观察等等。他通过研究光在眼睛中的折射规律，发现了凸透镜对恢复人的视力有着重要作用，他的这项成果促进了眼镜的诞生。培根的实验科学观点对自然科学的发展影响极大，从他开始，实验科学开始