第1章近代自然科学的初步发展PPT文档格式.ppt
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唐代时传到日本,公元12世纪传到埃及,14世纪传入欧洲,为欧洲科学的兴起及文艺复兴运动提供了重要的物质条件。
第一章近代自然科学的初步发展,1.1科学革命的突破,1.1.1天文学革命天文学作为一门古老的学科,研究广阔空间中天体的位置、分布、运动、形态结构、物理状态、化学组成和演化规律。
古代人为了生产等需要,已经开始有目的地对星体、日、月进行观察记录。
古希腊天文学对后世有很大影响,柏拉图提出地球的中心思想,后由托勒密发展为地心说。
托勒密的地心说体系,在托勒密的地心说看来,地球处于宇宙的中心,静止不动,太阳及其他行星围绕着地球运行为了解释与弥合天文观测的差距,托勒密构造出本轮均轮体系。
以使地球中心体系符合观察到的星体运动路径。
在中世纪西方、教会将其纳入到严密而庞大的神学体系中,作为上帝创世说的一个不可缺少的组成部分,这样一来。
原本很单纯的天文学理论地心说就变成了维护教会权威的一个重要理论支柱。
本轮均轮图,1.1科学革命的突破,尼古拉哥白尼,波兰伟大的天文学家、太阳中心说的创始人、近代天文学的奠基人。
随着时间延长,“地心说”与实际的偏离越来越大。
哥白尼经过数十年的观察和研究,终于建方起以太阳为中心的宁宙体系“日心说”。
日心说认为,地球是一颗普通的行星,它既有绕自转轴的自转,又与其他行星一起围绕宇宙中心太阳旋转。
这就使得以前看来极不协调的种种天象变得简单而和谐。
哥白尼的著述,1.1科学革命的突破,日心说,是天文学上一次伟大的革命,不仅引起了人类宇宙观的重大革新,而且从根本上动摇了欧洲中世纪宗教神学的理论支柱。
“从此自然科学便开始从神学中解放出来”,“科学的发展从此便大踏步前进”(恩格斯自然辩证法)。
哥白尼的天体运行论(1543年出版),由于受到时代的局限,在日心说中保留了所谓“完美的”圆形轨道等论点。
其后开普勒建立行星运动三定律,牛顿发现万有引力定律,以及行星光行差、视差相继发现,日心说遂建立在更加稳固的科学基础上。
1.1.2医学生理学革命自古以来,医学实践一直是人类活动的一个极为重要的方面,研究疾病产生、性质和治疗以及研究人体结构和功能,始终是自然科学不可缺少的组成部分。
文艺复兴以来,一批艺术家、医学家从事人类解剖学和解剖生理学的研究。
比利时医生维萨留斯发表人体结构,并证明男女肋骨数目相同。
他的结论动摇了天主教的教条,并因此受到迫害。
右图为维萨留斯在书中描绘的人体静脉系统,其精密程度另人赞叹。
维萨留斯,1.1科学革命的突破,17世纪,英国科学家哈维找到了血液流通的途径,为人们充分了解人和动物的生理学开辟了新的途径。
哈维从实验入手,做了绑扎人体上臂血管和计算血流量的实验。
他发现,动脉和静脉中血液流动的方向相反。
哈维还对血流量进行了计算,从而发现,血液在全身沿着一个闭合路径作循环运动。
血液循环理论的建立,具有重要的科学价值。
捆扎上臂血管实验,哈维,血液循环,在血液循环理论的建立过程中,由于社会条件的原因,充满着艰辛的斗争。
教会为了神学的需要,把盖仑的医学理论绝对化、凝固化,用来论证宗教神学的结论。
除了维萨留斯受到了教会的迫害以外,塞尔维特也因其异端的神学观点被加尔文派新教逮捕并处以死刑,在烧死之前还活活烤了两个钟头。
血液循环理论的建立,具有重要的科学价值,成了临床医学的理论基础、同时也成了近代生理学的重要基础。
在哈维以后,比较解剖学、人体生理学、医学等生物学学科逐步建立起来。
1.2.1开普勒对天空“立法”1600年,开普勒到布拉格担任第谷的助手。
1601年第谷去世后,他继承了第谷的事业,利用第谷多年积累的观测资料,仔细分析研究,发现了行星沿椭圆轨道运行,并且提出行星运动三定律(即开普勒定律),为牛顿发现万有引力定律打下了基础。
1.2经典力学的奠基,开普勒(JohannesKepler,1571-1630),德国天文学家。
开普勒是德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家。
他以数学的和谐性探索宇宙,在天文学方面做出了巨大贡献。
开普勒是继哥白尼之后第一个站出来捍卫太阳中心说、并在天文学方面有突破性成就的人物,被后世科学史家称为“天空的立法者”。
开普勒生在德国威尔的一个贫民家庭,1587年,他进入蒂宾根大学,很快成为哥白尼学说的忠实维护者。
后来,由于学校被天主教会控制,开普勒离开神学院前往布拉格,与卓越的天文学家第谷一起专心地从事天文观测工作。
他充分利用了第谷布拉赫留下的大量精确的天文观测资料,改进了哥自尼的学说确立了行星运动三定律,为天体力学的诞生提供了坚实的基础。
开普勒,开普勒主要著作有宇宙的神秘、光学、宇宙和谐论、哥白尼天文学概要、彗星论和稀奇的1631年天象等。
其中,在宇宙和谐论中,开普勒找到了最简单的世界体系,只需7个椭圆就可以描述天体运动的体系了;
在彗星论中,他指出彗星的尾巴总是背着太阳,是因为太阳排斥彗头的物质造成的,这是距今半个世纪以前对辐射压力存在的正确预言;
此外,开普勒还发现了大气折射的近似定律。
1.椭圆定律:
开普勒的行星运动第一定律指出,行星的运动轨道不是传统认为的正圆形。
而是椭圆形;
而太阳处于椭圆焦点之一的位置上。
开普勒第一定律,2等面积定律:
在行星与太阳间作一条直线,则此直线在行星运动时于相同时间内扫过相等的面积。
3和谐定律:
行星运动周期T的平方正比于行星与太阳平均距离R的三次方,记为:
开普勒第二定律,1.2.2伽利略对地面物体的研究主要贡献:
力学伽利略是第一个把实验引进力学的科学家,他利用实验和数学相结合的方法确定了一些重要的力学定律。
伽利略伽利意大利物理学、天文学家,实验物理学的先驱者,提出著名的相对性原理、惯性原理、抛体的运动定律、摆振动的等时性等。
关于两门新科学的对话和数学证明对话集总结了他的科学思想以及在物理学和天文学方面的研究成果。
天文学他是利用望远镜观测天体取得大量成果的第一位科学家。
哲学他一生坚持与唯心论和教会的经院哲学作斗争,主张用具体的实验来认识自然规律,认为经验是理论知识的源泉。
伽利略发现的四颗卫星,伽利略著名的“斜面实验”伽利略的最主要贡献或最主要的贡献之一在于对于地面物体运功的研究。
1638年出版的他的关于两门自然科学的对话和数学证明一书,是他对地面物体起动研究的一个总结。
在该书中,伽利略叙述了“斜面实验”。
亚里士多德认为两个物体以同一高度落下,重的比轻的先着地。
但伽利略经过反复的研究与实验后,得出与之截然相反的结论:
物体下落的快慢与重量无关。
斜面试验,比萨斜塔,综合斜面实验的过程,可以设计和制造一个光滑的斜面和平面(如图中由A经B至C),再用一个光滑的球由A经斜面落下。
经过多次的反复实验,伽利略得到以下的结论:
1.在斜面AB上,小球作加速运动。
在斜面倾角一定时,无论小球重量如何,加速度值都一样,在斜面上滚动的铜球所经过的各种距离总是同所用时间的平方成比例。
这就是伽利略发现的自由落体定律。
2.在小球落到B点并沿BC平面滑动时,在运动方向上小球并不受力。
但它仍然按起始速度作匀速直线运动。
如果BC足够长,小球将永远保持原速。
这个说法也就是惯性定律。
这一发现表明速度并不是由外力引起的,力是产生加速度的原因而不是产生速度的原因。
3.如果小球运动至平面的一端的C点落下,一方面物体要保持匀速运动继续前进,另一方面它又要在垂直方向下落,于是物体呈现出抛体运动状态,图中即小球将沿半抛物线CD落至D点。
伽利略的研究成果,为后来牛顿的进一步综合奠定了基础。
1.3近代科学的第一次大综合,1.3.1牛顿的综合在哥白尼、开普勒关于天体运动规律和伽利略关于地面物体的动力学研究的基础上。
牛顿展开了更全面的分析、综合和概括工作,终于建立了经典力学体系,实现了近代科学史上的第一次大综合。
英国著名诗人Pope写道:
自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中,上帝说:
“让牛顿去吧!
”于是一切成为光明。
牛顿在著名的自然哲学的数学原理一书中,给出了一种力的定义:
“施加的力是能够使物体改变它的静止状态或匀速直线运动状态的一种作用”。
这几乎就是力的现代定义。
事实上,力是代表物体间的一种相互作用,由于这种作用,物体会改变速度,即获得加速度。
自然哲学的数学原理,在定义了力的概念以后,牛顿在伽利略关于物体运动研究的基础上,总结出来有关地面物体运动定律。
牛顿第一定律又称惯性定律:
任何物体都保持静止或匀速直线运动状态,知道其它任何物理所作用的力迫使它改变这种状态为止。
牛顿第二定律又称运动基本定律:
物体在受到外力时,物理所获得的加速度的大小和外力成正比,而与物体的质量成反比,加速的的方向与外力方向相同。
牛顿第三定律又称作用和反作用定律:
作用力与反作用力大小相等,方向相反,分别作用于不同的物体上。
1.3.2万有引力定律牛顿在建立力学的基本概念并发现了力学的基本定律之后,就试图用来解决一系列的问题。
他在着手解决太阳系的动力学问题中,进一步发现了万有引力定律。
万有引力定律又称物质相互作用的普遍规律:
任何两个物体都存在着相互作用的吸引力,吸引力的方向沿两个物体连线的方向,力的大小与两个物体质量乘积成正比,与两个物体之间的距离的平方成反比。
1.4其它学科的初步发展,数学:
1618世纪是常量数学到变量数学的时期。
法国人笛卡儿(1596-1650年)分析了几何学与代数学的优缺点,表示要寻求一种包含这两门科学的优点而没有它们缺点的方法,这种方法就是他在17世纪上半叶创立的用代数方法来研究几何问题解析几何。
笛卡儿分型,耐普尔的计算器,17世纪上半叶英国人耐普尔发明了对数,对数的发明,有助于改进和简化计算,拉普拉斯这样来评价这一发明:
它用缩短计算的时间来使天文学家的寿命加倍。
牛顿和莱布尼茨在17世纪下半叶各自独立的创立了微积分学。
他们的功绩主要在于:
把各种有关问题的
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