近代自然科学(19世纪前后)

第二部分近代自然科学——第一次技术革命——19世纪的自然科学——第二次技术革命十八世纪：工业革命时期

——第一次技术革命技术发明与英国产业革命十八世纪是工业革命即第一次技术革命时期。科学相对停滞，但上一世纪科学所取得的成果此时转化成技术成果，出现了人类历史上第一次工业技术革命。第一次技术革命：它以纺织机械的革新为起点，以蒸气机的发明和广泛使用为标志，从而实现了工业生产从手工工具到机械化的转变。这场革命发端于英国，而后遍及整个欧洲，在世界范围内产生了深远的影响。机器取代人力是革命的关键。正是一大批新机器的发明和运用，使劳动生产率大幅度提高，使工业发展突飞猛进。

工业革命为什么率先从英国开始？英国工业革命前提资产阶级政权的确立条件①圈地运动、殖民掠夺和贩卖黑奴大量资本和雇佣劳动力②发达的工场手工业技术条件③国外市场的扩大，日益增长的市场需求市场条件④自然科学的发展提供提供提供提供文化知识条件前提和条件时间18世纪60年代——主要成就机器的应用解决动力问题解决运输问题从棉纺织业开始阿克莱特在曼彻斯特建立棉纺厂富尔敦发明汽船斯蒂芬逊发明火车机器制造业的诞生19世纪中叶英国工业革命之进程★瓦特改良蒸汽机人类进入“蒸汽时代”能源材料煤炭钢铁17501775180018251850187519001733飞梭1764珍妮机1769水力纺纱机1779骡机1705纽卡门蒸汽机1765瓦特蒸汽机1781蒸汽汽车1807富尔顿轮船1826火箭号机车工作机动力机蒸汽时代1785水力织布机英国旧式的纺纱机和织布机摇动脚踏纺车手工织布机纺织分纺纱和织布两个环节。1733年，约翰·凯依发明了飞梭，改进了织布技术。使织布速度变快，纺纱方面便显得慢了。生产的要求直接推动发明。1751年，皇家学会悬赏征求“发明一架出色的能同时纺6根棉纱或麻线而只需一人照管的机器”。

1764年，詹姆斯·哈格里夫斯发明了锭子垂直放置的“珍妮机”。哈格里夫斯是一位纺纱工人同时又是个木工。在一次纺纱中，纺车被他不慎弄翻，他发现翻倒的纺车依然还在转动，这启发他搞出了立式的多滚轮纺纱机。一开始他安装了8根锭子，后来扩展成80根。他用他妻子的名字命名了这种纺纱机。珍妮机60年代中期

哈格里夫斯人力纺出的纱精细但不结实自然辩证法概论张胜光制作水力纺纱机60年代末期阿克莱特水力纺出的纱结实但粗糙骡机

70年代末期

克伦普顿

水力能同时转动

几百个纱绽,纺出的纱既

精细又结实水力织布机80年代中期卡特莱特水力提高织布效率40倍大规模的织布厂出现17501775180018251850187519001733飞梭1764珍妮机1769水力纺纱机1779骡机1705纽卡门蒸汽机1765瓦特蒸汽机1781蒸汽汽车1807富尔顿轮船1826火箭号机车工作机动力机蒸汽时代1785水力织布机由于新式的动力纺纱机和织布机的发明，英国纺织业迅速成为世界第一大轻工业。但动力机方面需要跟上。近代第一个利用蒸汽作为动力的实验者，是法国物理学家巴本。1688年，他用一个圆筒和活塞制造出简单的蒸汽机，但是并没有实际应用。1698年，英国人塞维利发明了蒸汽抽水机。接着。纽可门在此基础上加以改进，于1705年制成新的蒸汽抽水机，用于煤矿抽水和农田灌溉。纽可门式蒸汽机不仅需要消耗大量燃料，而且只能用于抽水，需要发明一种能够用于带动各种机器的动力机。蒸汽机的发明纽可门式蒸汽机瓦特制成改良蒸汽机瓦特1736年生于苏格兰的一个工人家庭，从小饱受贫穷和疾病的折磨。十几岁来到伦敦当学徒，学习机械制造。1756年，瓦特在格拉斯哥大学谋得了一个机修工的职位。在大学里，他认识了著名的物理学家布莱克，从他那里学到了许多热学知识。与此同时，他在思考如何改进纽可门蒸汽机。瓦特认为纽可门蒸气机的主要缺点是

在汽缸内反复进行冷凝，把大量热能浪费

于重新加热汽缸。

瓦特1765年设计的蒸汽机瓦特的转动式蒸汽机设计了同汽缸分离的单独的冷凝器，大大提高了热效率，减少了燃料的消耗。自此以后，棉纺织业、毛纺织业、采矿业、冶金业、造纸业、印刷业、陶瓷业等部门，都先后开始采用蒸汽作为动力机。蒸汽机的发明和应用，是工业革命的重要内容之一，同时它又给予工业革命以巨大的推动。恩格斯高度评价了瓦特改良蒸汽机的重大意义和作用，他指出：“蒸汽机是第一个真正国际性的发明，而这个事实又证实了一个巨大的历史性的进步。”蒸汽机的发明和应用1876年美国费城博览会上展出的蒸汽机17501775180018251850187519001733飞梭1764珍妮机1769水力纺纱机1779骡机1705纽卡门蒸汽机1765瓦特蒸汽机1781蒸汽汽车1807富尔顿轮船1826火箭号机车工作机动力机蒸汽时代1785水力织布机现存最古老的机动车这幅图上描绘的是法国陆军工程师居纽设计的蒸气动力牵引车，它于1781年制造完成，是现存最古老的机动车。这幅图现藏于巴黎工艺美术馆。这是美国“克莱蒙号”汽船，是由美国人富尔敦1807制造的第一艘蒸汽船。这是美国“大西方号”轮船。1838年，它单靠蒸汽机推动，横渡大西洋，只用了15天英国史蒂芬逊父子1826年

制造的蒸汽机车“火箭”号美国第一列火车同马拉车赛跑施工中的英国利物浦到曼彻斯特铁路总之，从18世纪60年代开始，持续到19世纪中叶的这次技术革命是以蒸汽机的广泛使用为标志。正如1848年马克思和恩格斯在《共产党宣言》中所说的：“资产阶级在它的不到100年的阶级统治中所创造的生产力，比过去一切时代所创造的全部生产力还要多，还要大。”经济政治生产方式阶级矛盾世界格局完成了从工场手工业到机器大工厂的转变，创造了巨大的生产力，也使英国成为“世界工厂”和世界第一工业强国。使工业资产阶级逐步进入政权中心，巩固与加强了资产阶级的统治。导致经济地理和人口结构的变化，推动科学文化的发展与人们思想观念和生活方式的巨大变化，标志着资本主义生产方式最终战胜了封建生产方式。促使资义各国海外殖民活动进一步加强，造成了先进的西方和落后的东方的世界格局。使整个社会日益分裂为两大对立的阶级——资产阶级和无产阶级，造就了资本主义的掘墓人。英国工业革命之影响自然科学提出一系列新课题和事实材料，促使科学家从事新的探索，从而获得新的知识，产生新的学科。如热力学的产生→如何提高热机效率问题科学技术所创造的巨大生产力充分显示了科学技术的威力，使资产阶级进一步认识到发展和扶助科学的重要性。提供了新的认识工具和技术手段，大大增强科学家的认识能力，从而使认识不断达到新的广度和深度。如蒸气轮船的发明→达尔文乘坐的巡洋舰英国工业革命之影响十九世纪：

古典科学全面发展的世纪赫尔姆霍茨十九世纪的科学和技术

数学革命的时期：代数学的成熟、非欧几何的产生；

经典物理学理论体系已基本建立：经典力学、热力学、

统计物理学、经典电磁学→四大理论支柱；化学建立原子－分子论，发现元素周期律，建立了有机化学；天文学进入天体物理学时代，发现海王星和恒星视差；

地质学的发展：“灾变论、渐变论”之争，地质年代表的制定

生物学上出现了细胞学说、生物进化论和微生物学；现代医学技术上则发生了以电力革命和合成染料工业为代表的第二次技

术革命。十九世纪自然科学领域的重大成就（1）能量守恒与转化定律的发现（2）热力学基本定律的建立由研究当时的蒸汽机的效率开始，进而描述热和功的相互转化及其在数量上的关系的规律。焦耳、开尔文、克劳休斯、卡诺等：建立了“能量守恒与转化定律、热力学三定律”，形成了热力学基础（3）波动光学的建立在对光的本性的认识中，存在着波动说和微粒说之争“干涉”实验、“偏振现象”，波动说正确解释光速的测定是波动说战胜微粒说具有决定意义的实验物理学领域十九世纪自然科学领域的重大成就（4）电磁理论的创立奥斯特：研究得知电流具有某种磁效应安培：发现电流与磁针转动方向关系服从右手定则法拉第：提出场和力线的概念麦克思韦：用数学语言概括了全部电磁现象，及预言电磁波的存在，发表了《电磁通论》，建立了电磁学理论的基本框架。物理学领域十九世纪自然科学领域的重大成就（1）原子－分子论的确立英国道尔顿建立了原子论→开辟了近代化学发展的新纪元法国盖•吕萨克提出气体化合定律意大利阿佛加德罗提出分子的概念（2）化学元素周期律的发现俄国门捷列夫提出了化学元素周期律→奠定了无机化学的理论基础（3）有机化学的发展德国维勒用无机物氰和氨水合成了有机物尿素→第一次合成有机物化学领域十九世纪自然科学三大发现——能量守恒和转化定律

——细胞学说

——生物进化论能量守恒与转化定律是19世纪自然科学三大发现之一，它揭示了热、力、电和化学等各种运动形式之间的转化和统一性，使自然界的运动形式达到空前的综合和统一。这是继牛顿力学体系以来物理学的最大成就。

最主要的代表：德国迈尔、英国焦耳、德国赫尔姆霍茨。迈尔－较早发表能量守恒思想最早提出这一原理的是德国医生迈尔(1814一1878)。1840年，他曾经作为随船医生去过爪哇，发现那里的病人的静脉血比他预计的要红得多，因此开始思考体热问题，发现体力和体热都来自食物中所含的化学能。可能就是在这些思考中，萌发了能量的所有形式可以互相转换的想法。1842年，迈尔写了《关于无机界力(能量)的说明》一文，以比较抽象的推理方法提出了能量守恒与转化原理。但这篇论文被认为是哲学论文而不被注意。与迈尔几乎同时提出能量守恒原理的有英国物理学家焦耳

(1818—1889)，他是一位富有的啤酒酿造商。在业余时间，他热心于进行关于热量和机械功的测定工作。

1840年，焦耳测量电流通过电阻线所放出的热量，得出了焦耳定律，给出了电能向热能转化的定量关系，为发现普遍的能量守恒和转化原理打下了基础。焦耳定律焦耳所用的测量热功当量的仪器

焦耳的划时代的工作也没有引起应有的注意。也许因为他只是一位业余的实验爱好者，皇家学会拒绝发表他早期的两篇论文。他的关于热功当量测定的论文只得在一家报纸上全文发表。1847年，在英国科学促进会的年会上，焦耳希望报告一下他正在做的测量热功当量的实验。会议主席只允许他作简短的口头描述。报告完后席间有一位青年人站起来，对报告进行了高度的评价，并以他雄辩的口才引起了与会者对焦耳报告的注意和兴趣。这位青年人就是当时23岁的威廉·汤姆生，后来以开尔文勋爵而著称的英国著名物理学家。焦耳的工作开始引起注意到了大约1850年，特别以焦耳实验为基础的能量守恒原理开始得到公众的广泛认同。在这个过程中，德国物理学家赫尔姆霍茨(1821—1894)做出了重要的贡献。1847年，他发表了《力的守恒》一文，系统、严密地阐述了能量守恒原理(在德语中，“力”一词向来在“能量”的意义上被使用)。首先，他用数学化形式表述了在孤立系统中机械能的守恒。接着，他把能量的概念推广到热学、电磁学、天文学和生理学领域，提出能量的各种形式相互转化和守恒的思想。他将能量守恒原理与永动机之不可能相提并论，使这一原理拥有更有效的说服力。

从此，能量守恒和转化定律得到普遍承认，成为全部自然科学的基石。赫尔姆霍茨－《力的守恒》细胞是一切有机体结构和发育的基本单位，有机体的发育，就是细胞的分化和形成的过程胡克第一个发现细胞（小室）施莱登提出细胞是一切植物结构的基本单位施旺把这一学说扩大到动物学界1665年1838年1839年意义：证明了有机体在结构和发育上的统一性，是生物科学史上的重大综合，为生物进化论的形成奠定了基石细胞学说的建立认识构成生命的细胞细胞学说一旦确立，马上在生命科学中显示出生命力。其最显著的成就是德国生物学家微耳（1821—1902)在此基础上建立的细胞病理学，为现代医学奠定了基础。达尔文的生物进化论产生前提：18—19世纪的比较解剖学、胚胎学和古生物学的发展，是生物进化论产生的科学前提。核心思想：自然选择学说 （适者生存，不适者淘汰）重要意义：细胞学说和达尔文进化论是19世纪生物科学史上的大事件，揭示了生物界的统一性及其发展的规律。这是生物科学发展史上的一次空前的综合，是生物科学的里程碑。恩格斯把它们与能量守恒和转化定律一起誉为19世纪三大发现。进化论的创立

18世纪后期，生物物种进化的思想已经出现。拉马克建立了第一个用进废退、获得性状遗传的进化理论。但是．进化思想并未得到广泛的接受。地质学与生物学中反进化论的灾变说显赫一时。只是在达尔文发表《物种起源》一书之后，生物普遍进化的思想以及物竞天择、适者生存的进化机制才成为学术界、思想界的公论。居维叶的灾变说居维叶（1769—1832)，法国比较解剖学家。他提出了一套动物界的分类系统。他将所有动物分成四个门：脊椎动物门、软体动物门、节肢动物门和辐射动物门。他的分类是按照动物的内部结构进行的，更能指出动物之间的亲缘关系。

居维叶认为，历史上地球表面曾出现过几次大洪水，每次洪水都将所有生物全部毁灭，其遗骸在相应地层中形成今天所见的化石。大洪水后，造物主再次创造新的生命，由于造物主的每次创造都有所不同，导致了地层中化石形态的不同。

居维叶不仅是一位杰出的比较解剖学家和古生物学家，而且是一位能言善辩的天才活动家和出色组织者。在拿破仑时期，他出任教育部长。在波旁王朝复辟时期，他依然受到重用，被委任为内务部长。19世纪初期，居维叶的权势炙手可热，被称为“生物学界的独裁者’。他打击主张进化论的拉马克和圣提雷尔，在学界推行他的灾变说。但是，缓慢进化的思想潮流巳如山间冰雪消融之春水，不可阻挡地汇入大江大河、汇入大海。居维叶的灾变说赖尔的地质渐变说赖尔(1797—1875)生于苏格兰一个贵族家庭，1819年毕业于牛津大学。他本来是学法律的，准备将来当一名律师。事实上，他于1827年也取得了律师资格。但他在大学期间对地质学很感兴趣，特别是听了牛律大学地质学教授巴克兰的地质学讲演之后，对之更加着迷。

20年代中期，赖尔接触到了赫顿的火成论以及拉马克的进化学说。加上更进一步的实地考察，使他逐渐产生了地质渐变的思想。1828年，他来到意大利的西西里岛，考察了著名的埃特纳火山，坚定了地质形态在多种自然力作用下缓慢变化的信念。从1829年开始，他致力于《地质学原理》的写作。1830年，该书出版了第1卷，次年出版了第2卷，1833年出版了第3卷。赖尔以优美的文笔、严密的逻辑，将各种地质现象包罗在一个渐变论的体系之下。该书一出版，就产生了巨大的影响，赫顿的思想被广为传播，地质渐变的思想逐步深人人心。赖尔的地质渐变说物种的起源

1859年，达尔文出版《物种的起源》,提出相似的物种都是相互联系的，起源于一个共同的祖先；自然界中存在着优胜劣汰的竞争，旧种被消灭，新种不断产生，呈现物种的连续变化。进化理论自诞生之日起，直至今天仍对人类社会的发展产生着重大影响。第二次技术革命

——以电力、内燃机和合成染料为标志（19世纪70年代后）

③第一次工业革命的完成，为新的工业革命奠定了坚实的技术基础。技术条件⑤资本主义各国统治者重视教育和科学技术，也推动了科技发展。社会条件②国内统一市场的开辟和国外市场的开拓，不断刺激工业发展。市场条件④19世纪自然科学发展，特别是电磁学理论的建立提供提供提供提供科学理论基础革命兴起的条件①19世纪中期，工业资产阶级进入政权中心，资本主义制度进一步确立，资本主义世界体系形成。政治条件提供主要成就电力的广泛应用内燃机和新交通工具的创制新通讯手段的发明第二次技术革命之历程化学工业的建立德国人西门子制成发电机爱迪生制成耐用电灯泡电车、电影放映机等问世内燃机和柴油机的诞生卡尔·本茨制造出汽车内燃机车、远洋轮船、飞机得到迅速发展诺贝尔发明甘油炸药产生了许多人工合成新染料贝尔发明电话马可尼试验无线电通讯成功第二次工业革命的成就，以电力的广泛应用最为显著。电是人类面临的一种前所未用的新型的能量。所谓电力革命指的是新兴的电能开始作为一种主要的能量形式支配着社会经济生活。从19世纪六七年代开始，出现了一系列电气发明。电力开始用于带动机器，成为补充和取代蒸汽动力的新能源。电能的突出优点在于：它是一种易于传输的工业动力，同时，它又是极为高效可靠的信息载体。因此，电力革命主要体现在动力传输与信息传输两方面。与动力传输系统相关联，出现了大型发电机、高压输电网、各种各样的电动机(马达)和照明电灯。与信息传输相关联，出现了电报、电话和无线电通讯。这些伟大的发明使人类的生活进入了一个更光明、更美好的新时期。电力的广泛使用18201840186018801900192019401838电动机1867发电机1882直流输电1879爱迪生电灯电力技术电信技术1891交流输电1876爱迪生留声机1844摩尔斯有线电报1856大西洋海底电缆1876贝尔电话1895无线电报爱迪生发明耐用电灯泡1879年10月21日，爱迪生(1847-1931)用碳化的卷绕线作为灯丝，成功地制出世界上第一个电灯泡。他花了近三天时间把灯丝装进真空玻璃泡，通上电源，发出相当于10支煤气灯的温柔光芒，它延续了约45个小时。他试验过从世界各地找来的1600种耐热材料和6000种植物纤维。甚至连朋友的一撮红胡须也成了他的试验材料。爱迪生的主要发明：投票计数器、普用印刷机、改良打字机、留声机、白炽灯、第一所中央发电厂、活动电影机、大型碎石机、世界上第一座电影“摄影棚”、传真电报、有声电影机、鱼雷机械装置、喷火器、水底潜望镜等。18201840186018801900