第2讲-近代自然科学的全面发展

1、第2讲 近代自然科学的全面发展,19世纪被誉为科学的世纪。自然科学的各个门类均相继成熟起来，形成了人类历史上空前严密和可靠的自然知识体系。“科学，给青年以养料，给老人以慰藉；她让幸福的生活锦上添花，她在不幸的时刻保护着你。”,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。生产者并没有明显地感到只依靠经验知识已经不够，迫切需要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

2、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。另一种情况是：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了电磁波的存在，但直到20世纪初才开始用于广播。,从18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试验工具，而且使研究领域扩大了。这时除了力学外，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。 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

3、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。,英国工业革命的发源地,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 的分子和原子；这是一个创建理 论体系时代，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。,太阳系,银河系,3.1 天地演化的研究,1755 年德国哲学家康德（I.Kant,17241804）提出了关于太阳系起源的星云假说。虽然这只

4、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，拉普拉斯的星云假说更加完善，数学论证更加严密，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。,星云恒星形成区域,天文学：,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 诸多问题，但是其演化发展的科学思 想对于19世纪的

5、科学产生巨大的影响。,恒星形成过程,地质学：第一次产业革命促进了地质科学的发展。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。 英国的威廉.史密斯（W.smith, 17691839）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。,威廉.史密斯,与史密斯同时代的法国科学家居维叶是位杰出的动物学家、古生物学家，是比较解剖学的创

6、始人。他在巴黎盆地工作时，明确地认识到，不同时代的地层中有不同的化石，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。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。,居维叶完全依靠想象复原了翼龙,英国地质学家赖尔（C.Lyell,1797 1875），在18301833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”，驳斥了当时居维叶的“灾变 论”和他的继承者所宣传的神创说。他的 观点，从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

7、 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。,英国地质学家赖尔,3.2 物理学的进展,3.2.1 能量守恒定律 19世纪40年代建立起来的能量守恒定律，被认为是自牛顿力学以后的科学发展的第二次大综合。以下三位科学家为此做出了主要贡献。,迈尔,焦耳,亥姆赫兹,德国医生迈尔率先于1842年发表了论 无机界的力一文。他在考虑人体输入的 “力”和输出的“力”应该平衡的基础上，提 出了更普遍的“力”的转化和守恒的概念。 迈尔讲的“力”实际上是能量。由于缺乏充 足的试验依据，他的论文发表后，在长

8、达20 年的时间只得到少数科学家的重视。 焦耳在1818年12月24日生于英国曼彻斯 特，1840年，焦耳发现：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。次年，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。,楞次,1843年，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。 他的试验工作为能量守 恒定律提供了坚实的基 础。1847年，德国物理学家亥姆霍兹于发表论力的守恒， 第一次系统地阐述了能量守恒原理及普遍意义，从此科学界开 始接受这一定律

9、。上图为焦耳当时使用的试验工具。 能量守恒定律的确立是科学史上的大事件，这一定律揭示 出，机械能、热能、电能、化学能和生物能等都是互相联系 的，并且可以在一定条件下相互转化，这种转化遵从一定的数 量关系。能量守恒定律实质上就揭示了各种不同的运动形式之 间具有统一性，各种运动形式都是相互联系相互转化的。,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,18221888）和汤姆孙 （W.Thomson,18241907）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

10、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冷物体转移到较 热的物体。 1851年汤姆孙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 就是说第二类永动机不可能制造出来。实际上，这两种表述是 等价的。,克劳修斯,1865年克劳修斯提出了“熵”的概 念，以熵增加原理的形式表述了热力学 第二定律：孤立系统的熵总是会自发地 趋于极大。这样一来，他就揭示了第一 个时间反演不可逆的物理学定律，接触 到自然界过程的不可逆性。在这篇论文 的最后，克劳修斯将这一定律推广到整 个宇宙，提出来两条“宇宙基本原理”。 事隔两年

11、后，他又阐述了著名的“热寂 说”：宇宙的发展最终将达到永恒的死 寂状态。,热力学定律证明永动机不可能存在，上图为永动机错觉图。,把热力学第二定律推广到整个宇宙，认为宇宙的熵将趋于极大，因此一切宏观的变化都将停止，全宇宙将进入“一个死寂的永恒状态”。而最令人不可理解的则是现实的宇宙并没有达到热寂状态。现代宇宙学认为，目前的宇宙是处于不断膨胀状态。这样，它的熵虽不断增加，但它距平衡态却愈来愈远。正如现实中的宇宙充满了由无序向有序的发展与变化，呈现在我们面前的是一个丰富多彩、千差万别、生气勃勃的世界。,热力学的研究为热机的发展提供了新的理论基础。1862年，法国工程师德罗夏提出了内燃机的四冲程原理。

12、1876年，德国工程师奥托试制成功第一台内燃机。19世纪70年代末，内燃机与电机成为第二次产业革命的核心技术。,3.2.2 电磁现象的研究 1 电学的研究,2 关于电和热的研究焦耳楞次定律,3 电和磁的关系 奥斯特：发现电、磁、机械运动之间有联系 法拉第：磁生电试验、采用磁力线 安培：提出：“电动力学” 概念、安培法则 麦克斯韦：麦克斯韦方程组等 赫兹：试验验证麦克斯韦电磁场理论,法拉第,麦克斯韦,奥斯特（Hans Christan Oersted，1777-1851）丹麦物理学家，1820年，他在给学生做电磁学演示实验中偶然发现了电流对磁针的作用，从而导致了19世纪中叶电磁理论的统一和发展。

13、,M.法拉第(17911869)伟大的物理学家、化学家、19世纪最伟大的实验大师。右图为法拉第用过的螺绕环,法拉第是对现代电学发现作出杰 出贡献的科学家。1821年，他研究了 奥斯特发现的电流的磁作用之后，发 现磁作用的方向是与产生磁作用的电 流的方向垂直的。法拉第坚信，电与 磁的关系必须被推广，如果电流能产 生磁场，磁场也一定能产生电流。法 拉第做了许多次实验。直到1831年年 底，他才取得了巨大的突破，发现了 磁铁导线相对运动时，导线中有电流产生。这就是他所发现 的电磁感应定律，成为发电机的理论基础。法拉第的发现为 人类开辟了一种新的能源，电力时代的大门由此开启。,电磁感应定律,麦克斯韦(

14、1831-1879)出生名门望族，从小便显露数学天才。15岁时写了一篇论卵形曲线的论文，发表在爱丁堡皇家学会刊物上，令许多数学家不相信它出自一孩子之手。1847年，他进入爱丁堡大学学习数学和物理学。1850年，考入剑桥大学三一学院，主攻数学、物理学。1854年大学毕业，熟悉成绩非常优秀。1856年被阿伯丁马里歇尔学院聘为教授，1860年转往伦敦皇家学院，1871年回到剑桥任实验物理学教授。他亲自创办了著名的卡文迪许实验室，任主任一直到去世。,1864年，年轻的麦克斯韦在总结前人工作的基础上，引入位移电流的概念，建立了一组微分方程。这方程组确定电荷、电流（运动的电荷）、电场、磁场之间的普遍联系，

15、是电磁学的基本方程。麦克斯韦方程组表明，空间某处只要有变化的磁场就能激发出涡旋电场，而变化的电场又能激发涡旋磁场。交变的电场和磁场互相激发就形成了连续不断的电磁振荡即电磁波。麦克斯韦方程还说明，电磁波的速度只随介质的电和磁的性质而变化，由此可证明电磁波在以太（即真空）中传播的速度，等于光在真空中传播的速度。这不是偶然的巧合，而是由于光和电磁波在本质上是相同的。,光是一定波长的电磁波，这就是麦克斯韦创立的光的电磁学说。用一组偏微分方程来概括全部电磁现象，把法拉第的思想用数学语言表述出来。从此，电、磁、光学融合成一体，物理学完成了第三次伟大综合。 1879年11月5日，因长期患病，终于与世长辞，时

16、年仅48岁。他没能看到他所预言的电磁波真的在实验室里被发现。但是今天，电磁波已经成为了信息时代最基本的物质载体。,3.2.3 光的波动说的复兴,19世纪上半叶，物理学领域中另一个引人 注目的事件是光的波动说的复兴。 杨(17731829)和菲涅尔(17881827)是 推动光的波动说复兴的代表性人物。 杨是一位医生和物理学家，1799年开始行 医，1801年被英国皇家科学院聘请为自然哲学教 授。这一年，他提出了光的干涉理论。他向皇家 学会宣读了关于薄片颜色的论文，在论文中详细 讲述了试验，并用光的波动说的观点和他的干涉 理论来加以解释，随后于1803年发表的论文表明， 他成为第一个近似测定光的

17、波长的人。,托马斯 杨,菲涅尔,杨重提光的波动说,刺激了法国 的牛顿学派,也推动了法国学者对光 学的研究。 菲涅尔于1815年向法国科学院 寄去一篇关于衍射的重要论文。论 文表明他正在被引向发现干涉原理, 他不知道杨早在13年前就已经取得 了关于干涉原理的结论，面对许多物理学家倾向于不相信波动说而以微粒说来解释有关的现象，菲涅尔设计了一个新的实验，避开了衍射，而由反射光束产生出干涉现象。后来他又应用数学工具进行了精密的汁算，促使了更多的人转向相信波动说。通过菲涅尔的工作，光的波动说终于得到了重新承认。,光的干涉,杨在菲涅尔工作的激励下，也重新回到光学研究领域。他在研究光的振动时，提出光的振动与

18、声波沿运动方向作纵向振动不同，而是如同水波或拉紧的琴弦那样作垂直于运动方向的横向振动。实验证明了他的这一猜想，光波是横波的观点就确立起来了。 由于杨和菲涅尔的工作，使得波动说经过了100 多年后重新 得到了复兴。到19世纪中叶，光 的波动说已经取得了巩固的地位。 直到20世纪初，爱因斯坦提出光 量子假说，在量子力学的框架中, 光的粒子性与波动性得到了统一, 旷日持久的粒子说与波动说之争 才得以平息。,光波的示意图,3.3 化学上的成就,3.3.1 原子分子论 化学领域中的原子论是英国化学家于19世 纪初提出来的。道尔顿原子论基本观点： 化学元素由非常微小的、不可再分的、既不能 创造也不消灭的原

19、子微粒所组成，原子在化学变 化中保持不变。 同种元素的原子其性质、重量相同，不同种元素的原子其性质、重量不同；原子以其重量为基本特征。 不同元素的原子按简单数目比相结合，就形成了化合物；化合物是“复杂原子”，其重量等于简单原子的重量之和。,化学在19世纪的主要成就是原子分子论的建立、有机合成和有机结构理论的研究以及元素周期律的确立。,道尔顿,他的原子论为许多经验性的化学定律提供了清晰的理论解释，使人们认识到隐藏在纷纭复杂的化学现象背后的统一本质。原子论在解释“复杂原子”时遇到了困难。这个问题的解决，有待于分子论的建立。 首先提出分子论的是意大利化学家阿伏伽德罗，但由于许多原因，他的理论将近半个

20、世纪没有得到化学界的承认。 1858年意大利化学家坎尼查罗重新阐述了阿伏伽德罗提出的分子假说，测定原子量、确定化学式的困难就可迎刃而解。这一思想迅速得到了各国化学家的赞同，现代原子分子论终于瓜熟蒂落。,3.3.2 有机物的合成和有机结构理论,19世纪初，瑞典化学家贝采留斯倡导电化二元论。 1824年德国化学家维勒合成了有机物尿素。 19世纪30年代，提出有机物由“基”构成，其可被简单物所取代。 1852年，英国化学家弗兰克兰提出“原子价”。 1857年，德国化学家凯库勒、英国化学家库珀独立提出炭的四价学说。 1861年，俄国化学家布特列洛夫首先系统地提出了化学结构理论。 19世纪70年代，发展

21、立体化学,1824年，年仅24岁的维勒用无机物氰和 氨水合成了有机物尿素。给予有机物只能来 源于有生命的动植物的神秘活力论以致命打 击。随后人们又以无机物为原料合成了多种 有机酸、油脂类、糖类，彻底地打破了无机 物与有机物之间的绝对界限。 1858年，化学家凯库勒提出碳的四 价学说，揭示了有机物的结构，并提出 了苯的环状结构，解决了一大类芳香族 有机化合物的分子结构的难题，为人工 合成有机物打下理论基础，特别使染料 的合成有了理论指导。 苯在1825年就被发现了，此后几十年间， 人们一直不知道它的结构。1864年的某个冬 天，凯库勒坐在壁炉前打了个瞌睡，一条碳 原子链像蛇一样咬住自己的尾巴，在

22、他眼前 旋转。猛然惊醒之后，凯库勒明白了苯分子 是一个六角形的圈圈。,凯库勒的梦,19世纪上半叶，人们综合运用化学 分析法、电解法、光谱分析法等手段，发 现了大量的化学元素。到19世纪60年代， 元素数目已增加到60多种。在此期间，人 们对化学元素分类也进行了多种尝试。 德国化学家迈耶尔1864年在出版的一 本教材中，发表了他的第一张元素周期 表。其中区分了主族和副族元素，以原子 量和原子体积为坐标轴绘了一条曲线。,3.3.3 元素周期律,迈耶尔,1869年，化学家门捷列夫通过对当时已知的63种化学元素的 分析，敏锐地发现了这些元素的性质与原子量的关系，提出了化 学周期律。与迈耶尔不同，他 依

23、据这个规律，大胆预言了十 几种未知元素的存在和它们的 性质，后来被一一证实。 元素周期律： 化学元素按原子量递增顺序排列， 性质上呈明显周期性。 原子量大小决定化学元素基本特征。 利用元素周期表可预言未发现元素， 并能预测原子量和化学性质。 当知道某些元素的同类元素后，通过计算可修订测定错了的元素的原子量。,元素周期表,3.4 生物学的飞跃,3.4.1 细胞学说,胡克首次发现“细胞”： “细胞” （cell）这个词的原意是小室的意思。自从英国科学家R胡克在他的显微术（1665年）一书中首次将“细胞”一词用于他在复式显微镜下看到的软木片的细微结构即死细胞的细胞壁时，这个词便具有了一定的生物学含义

24、。,胡克,胡克所用的显微镜及观 察的栎树细胞的细胞壁,布朗发现细胞核： 19世纪初，细胞研究的一项重大成 果是细胞核的发现，这一发现也为细胞 学说的创立做出了一定的贡献。英国植 物学家R布朗（Robert Brown，1773- 1858）于1831年，在研究施肥对植物的 影响时，利用了一台放大倍数约为300 倍的显微镜，注意到植物细胞内部还有 其他的结构，通过仔细观察，他发现了 植物细胞的细胞核，并发现一个植物细胞只有一个细胞核。 布朗当时对于细胞核的生物学含义既不重视又不理解，因而 也没有进一步研究细胞核的结构和功能（当时的条件似乎也 不允许他从显微解剖学的角度进一步研究细胞核）。,R布朗

25、,德国植物学家施莱登和德国动物学家施旺共同提出细胞学说： 1838年，植物学家施莱登提出细胞是一切植物的基本生命单元。动物学家施旺又将其推广到动物界。1837年，施莱登曾与施旺相识，1838年10月，施莱登将自己关于植物细胞发生的理论告诉了施旺。 施莱登认为细胞核是 “植物中普遍存在的基本构造”，细胞核在细胞形成（发生）、过程中起了至关重要的作用，并且他还首次提出了“细胞核”这个词。,施莱登,施旺,19世纪生物学最突出的成就是细 胞理论的提出和达尔文进化论的建立。 拉马克率先提出了生物进化论。生物学史上，法国博物学家拉马克17441829）率先系统地提出了生物进化论。他的思想集中体现在他于1809年出版的动物哲学一书中，主要内容是生物界有等级，并具有按等级向上发展的趋势。进化的原由是：用进废退和获得性遗传。,3.4.2 生物进化论的诞生,达尔文和拉马克,用进废退：用进废退是指一种动物由于若干世代中经常使用某器官，就会使该器官得到发展；或者历代少用甚至不用某器官，就会使该器