中国与西方古代物理学成就比较.docx
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中国与西方古代物理学成就比较
包头师范学院
本科毕业论文
论文题目:
中西方古代物理学成就比较
院系:
物理科学与技术学院
专业:
物理学
姓名:
姜志恒
学号:
0909320042
指导教师:
王文清
二〇一三年四月
摘要
本文主要研究中西方古代物理学成就的研究方法,通过对中西方古代成就的具体阐述,如古希腊时期阿基米德的杠杆原理,毕达哥拉斯定理,原子论和德谟克利特理论,还有中国古代《墨经》当中记载的杠杆原理,“端”说以及勾股定理等等,从中挖掘出具有中国特点和西方特点的物理学研究方法,并对他们的相同之处与不同之处加以比较,研究古代物理学的研究方法对当代中学物理教学的启示作用。
关键词:
物理学、成就、比较;
Abstract
Inthispaper,westudyChineseandwesternancientachievementsinphysicsresearchmethods,throughtotheancientChineseandwesternachievementconcreteelaboration,suchasancientGreeceArchimedes'leverprinciple,thePythagoreantheorem,theatomictheoryandthetheoryofdemocritus,andrecordsoftheancientChinese"ink"leverage,"end"andthePythagoreantheorem,whichhavethecharacteristicsofChineseandwesterncharacteristicsofthephysicsresearchmethods,andtheirsimilaritiesanddifferencescomparingtoresearchancientphysicsresearchmethodsofcontemporarymiddleschoolphysicsteaching.
Keywords:
physics、achievement、compare
目录
引言(绪论)5
1课题背景6
2课题的相关研究综述6
3课题的核心问题与内容6
4课题研究的方法与流程7
5物理学的历史起源7
6西方的原子论与中国的“端”说8
6.1西方的原子论8
6.2中国的“端”说9
7阿基米德的杠杆原理与《墨经》的相衡理论9
7.1阿基米德的杠杆原理9
7.1.1不证自明的公理10
7.1.2杠杆原理的证明过程10
7.2《墨经》的相衡理论11
8欧几里得的公理化方法和中国的勾股定理11
8.1公理化方法11
8.2中国的勾股定理12
9中国与西方古代物理学成就特点13
9.1中国古代物理学成就特点13
9.2西方古代物理学成就特点13
10中西方古代物理学成就特点比较13
10.1相似之处13
10.2不同之处13
11研究中西方古代物理学成就对中学物理教学的启示15
结论17
参考文献18
致谢信19
引言(绪论)
在中学物理教学中,教学方法具有极其重要的作用。
在教学中,不能只习惯于某一、二种教学方法,要勇于创新,勇于探索新的教学方法,要既有利于学生获得物理知识,又有利于培养学生的观察实验能力、思维能力、分析问题和解决问题的能力,从而使学生在接受物理知识中,能由被动到主动,由消极到积极,起到事半功倍的作用。
所以我们可以通过对中西方古代物理学成就的研究寻求古代物理学家在研究物理学时的科学方法,让我们认识到古代物理学家研究方法是什么,他们有什么优缺点,中西方的研究方法又有什么不同,古代的研究方法对现代的中学物理教学有什么启示本文就是通过对中西方古代物理学的研究来解决这些问题的。
1课题背景
长期以来,传统的物理教学中,只注重知识的传授,却忽视知识形成过程中的物理思想方法,它严重影响了学生的思维发展和能力培养。
随着教育改革的不断深入,越来越多的教育工作者,特别是一线的教师们充分认识到:
中学物理教学,一方面要传授物理知识,使学生掌握必备物理基础知识;另一方面,更要通过物理知识这个载体,挖掘其中蕴含的物理思想方法,更好地理解物理,掌握物理,形成正确的思想观。
所以,我通过研究古代的中国和西方的物理学成就,主要研究物理学成就在研究过程中的研究方法,并把中西方的研究方法加以比较,研究古代物理学中的研究方法对中学物理教学的启示。
2课题的相关研究综述
物理学的发展引发了一次又一次的产业革命,推动着社会和人类文明的发展。
随着物理学的发展,越来越多的人开始研究古代物理学成就。
二十世纪八十年代,苗力田先生主编了《古希腊哲学》,将一些重要的古希腊思想翻译成中文,还有《亚里士多德全集》也被译成中文,作为中国研究西方历史的依据,但是,不论是西方的文献,还是中国的文献,他们所研究的古代物理学成就只是研究古代物理的思想、优缺点以及重要性,如:
李艳平、申先甲主编的《物理学史教程》中将哥白尼的体系的优点总结出来:
首先,哥白尼体系有内在的简单性;其次,哥白尼体系具有一种内在的和谐性;最后,哥白尼体系还提出了许多重要的物理学问题,包括运动的相对思想。
没有对古代物理学成就的研究方法的特点和中西方不同的研究方法的特点进行比较。
因此,本文将对中西方古代物理学成就的研究方法作出深度的论述和分析,并对中西方不同的研究方法进行比较,从而得到古代物理学研究方法对中学物理教学的启示。
3课题的核心问题与内容
本文通过大量的文献查阅和研究,以郭弈玲和沈君慧的《物理学史》为基础,同时参考《物理学史教程》《古希腊哲学》以及其他自然哲学等著作,对中西方古代物理学成就进行一个系统梳理,并从中选取几个具有代表性的物理学成就作为研究素材,力图通过这些具有代表性的物理学成就阐明中西方古代物理学成就在研究方法上的不同特点。
然后将他们各自的特点作对比,抓住中国与西方在研究物理学成就时在研究方法上的优缺点。
通过对中西方古代物理学成就研究过程及研究方法的了解,研究其对物理教学的启发指导作用。
4课题研究的方法与流程
5物理学的历史起源
从石器时代起,人们就尝试着理解这个世界:
为什么物体会往地上掉、为什么不同的物质有不同的性质等等。
宇宙的性质同样是一个谜,譬如地球、太阳以及月亮这些星体究竟是遵循着什么规律在运动,并且是什么力量决定着这些规律。
人们提出了各种理论试图解释这个世界,然而其中的大多数都是错误的。
这些早期的理论在今天看来更像是一些哲学理论,它们不像今天的理论通常需要被有系统的实验证明。
像托勒密(Ptolemy)和亚里士多德(Aristotle)提出的理论,其中有些与我们日常所观察到的事实是相悖的。
当然也有例外,譬如印度的一些哲学家和天文学家在原子论和天文学方面所给出的许多描述是正确的,再举例如古希腊的思想家阿基米德(Archimedes)在力学方面导出了许多正确的结论,像我们熟知的阿基米德定律。
在十七世纪末期,由于人们乐意对原先持有的真理提出疑问并寻求新的答案,最后导致了重大的科学进展,这个时期现在被称为科学革命。
科学革命的前兆可回溯到在印度及波斯所做出的重要发展,包括:
印度数学暨天文学家Aryabhata以日心的太阳系引力为基础所发展而成的行星轨道之椭圆的模型、哲学家Hindu及Jaina发展的原子理论基本概念、由印度佛教学者Dignāga及Dharmakirti所发展之光即为能量粒子之理论,电磁学方面,发现了摩擦起电,由穆斯林科学家Ibnal-Haitham(Alhazen)所发展的光学理论、由波斯的天文学家Muhammadal-Fazari所发明的星象盘,以及波斯科学家Nasiral-DinTusi所指出托勒密体系之重大缺陷。
同样是在十七世纪,学者开始慎密地研查这性质。
古中国人观测到某些石头(磁石),会通过某种看不见的作用力互相吸引,这性质后来称为磁性。
也是在十七世纪,学者开始严格地穷究。
经过燃膏继晷、废寝忘食的努力,物理学者终于明白了这两种自然现象的基本原因——电和磁。
但是,在二十世纪,经过更高深的研究,物理学者发现这两种作用力是电磁力的两个不同方面。
今天,这统一各种各样作用力的程序仍旧方兴未艾,物理学者认为电磁力和弱核力是电弱作用(electroweakinteraction)的两个不同方面。
物理学者的终极目标是找到一个完美的万有理论,能够解释大自然的一切本质。
6西方的原子论与中国的“端”说
6.1西方的原子论
万物的本原是原子与虚空。
原子是一种最后的不可分的物质微粒。
宇宙的一切事物都是由在虚空中运动着的原子构成。
所为事物的产生就是原子的结合。
原子处在永恒的运动之中,即运动为原子本身所固有。
虚空是绝对的空无,是源于运动的场所。
原子叫做存在,虚空叫做非存在,但非存在不等于不存在,只是相对于由充实的原子而言,虚空是没有充实性的。
所以非存在与存在都是实在的。
世界是由原子在虚空的漩涡运动中产生的。
宇宙中有无数个世界在不断的生成与灭亡。
人所存在的世界,无非是其中正在变化的一个。
所以他声称:
人是一个小宇宙。
德谟克利特在自然科学上最重要的贡献,是他继承和发展了留基伯的原子论,为现代原子科学的发展奠定了基石。
原子是非常小的,不但肉眼看不出来,就是用显微镜也看不出来。
那么在两千年前,原子论是怎么提出来的呢?
其实上古时代的原子论不是科学理论,它只是一种哲学的推测。
留基伯是古希腊爱奥尼亚学派中的著名学者,他首先提出物质构成的原子学说,认为原子是最小的、不可分割的物质粒子。
原子之间存在着虚空,无数原子从古以来就存在于虚空之中,既不能创生,也不能毁灭,它们在无限的虚空中运动着构成万物。
德谟克利特是留基伯的学生,他继承并发展了留基伯的原子学说,指出宇宙空间中除了原子和虚空之外,什么都没有。
原子一直存在于宇宙之中,它们不能被从无中创生,也不能被消灭,任何变化都是它们引起的结合和分离。
原子在数量上是无限的,在形式上是多样的。
在原子的下落运动中,较快和较大的撞击着较小的,产生侧向运动和旋转运动,从而形成万物并发生着变化。
一切物体的不同,都是由于构成它们的原子在数量、形状和排列上的不同造成的。
原子在本质上是相同的,它们没有“内部形态”,它们之间的作用通过碰撞挤压而传递。
6.2中国的“端”说
《墨经》第六十一条①:
《经上》:
“端,体之无序而最前者也。
”《经说上》:
“端:
是无同也。
”这是对“端”的定义和解释。
7阿基米德的杠杆原理与《墨经》的相衡理论
7.1阿基米德的杠杆原理
古希腊科学家阿基米德有这样一句流传很久的名言:
“给我一个支点,我就能撬起整个地球!
”这句话有着阿基米德严格的科学根据。
图一
阿基米德在《论平面图形的平衡》一书中最早提出了杠杆原理。
他首先把杠杆实际应用中的一些经验知识当作“不证自明的公理”,然后从这些公理出发,运用几何学通过严密的逻辑论证,得出了杠杆原理。
7.1.1不证自明的公理
(1)在无重量的杆的两端离支点相等的距离处挂上相等的重量,它们将平衡;
(2)在无重量的杆的两端离支点相等的距离处挂上不相等的重量,重的一端将下倾;
(3)在无重量的杆的两端离支点不相等距离处挂上相等重量,距离远的一端将下倾;
(4)一个重物的作用可以用几个均匀分布的重物的作用来代替,只要重心的位置保持不变。
相反,几个均匀分布的重物可以用一个悬挂在它们的重心处的重物来代替;
(5)相似图形的重心以相似的方式分布……
正是从这些公理出发,在“重心”理论的基础上,阿基米德发现了杠杆原理,即“二重物平衡时,它们离支点的距离与重量成反比。
”阿基米德对杠杆的研究不仅仅停留在理论方面,而且据此原理还进行了一系列的发明创造。
据说,他曾经借助杠杆和滑轮组,使停放在沙滩上的桅杆顺利下水,在保卫叙拉古免受罗马海军袭击的战斗中,阿基米德利用杠杆原理制造了远、近距离的投石器,利用它射出各种飞弹和巨石攻击敌人,曾把罗马人阻于叙拉古城外达3年之久。
7.1.2杠杆原理的证明过程
(1)若m=5,n=3,取一轻杆,并将杆分成2m+2n-1=15份
图二
(2)将A分成2m=10份,将B分成2n=6份,均匀悬挂在杆上
(3)根据原理(4)它们相当于A挂在a处,B挂在b处
(4)根据原理
(1)在中点0处平衡
oa=3,ob=5
A:
B=ob:
oa
所以两重物平衡时,所处的距离与重量成反比
7.2《墨经》的相衡理论
墨家是我国古代的一个学派,这个学派的成员多来自生产第一线,有丰富的技术知识和刻苦的钻研精神,研究科学技术的风气特别盛,有不少创造发明,对后世的科学发展起着积极的作用。
墨翟是战国时期鲁国人,是墨家的创始人。
《墨经》是墨家学者的集体创作。
《墨经》一书中有两条专门记载杠杆的原理。
一条说:
“衡木,加重焉而不挠,极胜重也;右校交绳,无加焉而挠,极不胜重也。
”意思是说:
在横杆的一端加上重物而不致发生偏转(挠),那一定是预先固定有石块的一端(即“极”)的转矩,足以胜任重物一端的转矩。
此时如果把支点(“交绳”)移近“极”端,即不必另加重物也可以使杠杆偏转,这时是“极”的转矩不能胜任重物的转矩。
另外一条是专门从杠杆原理讨论天平与杆秤的。
条文是这样的:
“衡木,加重于其一旁,必捶——重相若也。
相衡:
则本短标长,两加焉,重相若,则标必下——标得权也。
”这段文字上半段是说天平的。
意思是:
天平衡量的一臂加重物,另一臂必得加砝码(“必捶”),两者必须等重,才能平衡。
下半段是说杆秤的。
意思是说:
杆秤的提钮到重物的一臂(“本”)比较短,提钮到杆秤的臂(“标”)比较长,如果两边等重,秤锤一边必下落。
为什么呢?
因为秤锤对“标”一边的作用过大了。
这两条杠杆的平衡条件说的很全面:
有等臂的,有不等臂的;有改变两端重力使它转动的,也有改变两臂长度使它转动的。
8欧几里得的公理化方法和中国的勾股定理
8.1公理化方法
欧几里得(Euclid,约前330-前275),其中《几何原本》是他的代表作
著《反射光学》,将几何知识引入光学现象研究,初创几何光学。
主张视觉原理的眼球发射说。
关于欧几里得的轶事:
“在几何学中,没有为国王专设的捷径”;“给他三个钱币,让他走,他居然想从几何学中捞取实惠。
”
公理化方法发展的第一阶段是由亚里士多德的完全三段论到欧几里得《几何原本》的问世。
大约在公元前3世纪,希腊哲学家和逻辑学家亚里斯多德总结了几何学与逻辑学的丰富资料,系统地研究了三段论,以数学及其它演绎的学科为例,把完全三段论作为公理,由此推导出其它所有三段论法,从而使整个三段论体系成为一个公理系统。
因此,亚里斯多德在历史上提出了第一个成文的公理系统.
亚里斯多德的思想方法深深地影响了当时的希腊数学家欧几里得.欧几里得把形式逻辑的公理演绎方法应用于几何学,从而完成了数学史上的重要著作《几何原本》。
他从古代的量地术和关于几何形体的原始直观中,用抽象分析方法提炼出一系列基本概念和公理。
他总结概括出14个基本命题,其中有5个公设和9条公理,然后由此出发,运用演绎方法将当时所知的全部几何学知识推演出来,整理成为演绎体系。
《几何原本》一书把亚里斯多德初步总结出来的公理化方法应用于数学,整理、总结和发展了希腊古典时期的大量数学知识,在数学发展史上树立了一座不朽的丰碑。
公理学研究的对象、性质和关系称为“论域”,这些对象、性质和关系,由初始概念表示,例如欧氏《几何原本》中只需取“点”、“直线”、“平面”;“在……之上”、“在……之间”、“叠合”作为初始概念。
前三个概念所表示的三类对象和后三个概念所表示的三种关系就是这种几何的论域。
按照“一个公理系统只有一个论域”的观点建立起来的公理学,称为实质公理学。
这种公理学是对经验知识的系统整理,公理一般具有自明性。
因此,欧氏《几何原本》就是实质公理学的典范。
8.2中国的勾股定理
初等几何的著名定理之一。
直角三角形两直角边上正方形面积的和等于斜边上正方形的面积,即如果直角三角形两直角边长度为a和b,斜边长度为c,那么
,即勾三股四弦五。
古埃及人用这样的方法画直角。
勾股定理,是几何学中一颗光彩夺目的明珠,被称为“几何学的基石”,而且在高等数学和其他学科中也有着极为广泛的应用。
正因为这样,世界上几个文明古国都已发现并且进行了广泛深入的研究,因此有许多名称。
中国是发现和研究勾股定理最古老的国家之一。
中国古代数学家称直角三角形为勾股形,较短的直角边称为勾,另一直角边称为股,斜边称为弦,所以勾股定理也称为勾股弦定理。
在公元前1000多年,据记载,商高(约公元前1120年)答周公曰“故折矩,以为句广三,股修四,径隅五。
既方之,外半其一矩,环而共盘,得成三四五。
两矩共长二十有五,是谓积矩。
”因此,勾股定理在中国又称“商高定理”。
在公元前7至6世纪一中国学者陈子,曾经给出过任意直角三角形的三边关系即“以日下为勾,日高为股,勾、股各乘并开方除之得邪至日。
9中国与西方古代物理学成就特点
9.1中国古代物理学成就特点
1、现象记载
2、以事喻理
3、思辨解释
4、经验性、描述性、实用性与本土化是我国古代物理学的一个突出特点
5、与农业关系密切的学科更多地得到发展是我国古代物理学的又一特征
6、古代中国独自创造了举世瞩目的古代物理学成就,中国古代物理学的成就在首创性、历史连续性、全面多样性上都是举世瞩目的
9.2西方古代物理学成就特点
1、事实记载
2、初步实验下的定量规律(数学)
3、科学技术与方法的初步确立及应用
4、思辨解释
5、公理化思想,逻辑思想
6、运用理性探讨自然界的本质和规律
10中西方古代物理学成就特点比较
10.1相似之处
(1)大量的物理现象被发现和记录下来,但未形成系统的理论。
(2)有大量充满智慧的技术应用。
(3)天才的想象建立在笼统的直觉观察之中。
(4)受信念(宗教、信仰、审美观念等等)的支配很强。
10.2不同之处
(1)现象记录与技术应用方面,中国的成就高于西方
(2)整体观,与西方科学注重分析不同,中国传统物理重整合,重从整体上把握事物,重事物的结构、功能和联系
(3)理论认识方面——案例比较
比较1:
“原子论”与“端”说
原子论:
(留基伯)万物由不可再分的粒子——原子构成;(德谟克利
特)世界由原子和虚空构成,原子有大小、形状之不同,原子数量是无限的,原子在虚空中做直线运动,彼此冲撞挤压,相互嵌合而构成万物;(伊壁鸠鲁)原子有重量上的差异。
“端”说:
“端,是无间也。
”
比较2:
“惯性”思想
德谟克利特:
原子在虚空中做直线运动。
《墨经》“力,刑之所以奋也。
”
比较3:
毕达哥拉斯定理与勾股定理
毕达哥拉斯定理:
勾股定理:
勾三股四弦五
比较4:
杠杆原理
阿基米德:
;对称性解释。
《墨经》:
“相衡,则本短标长。
”
(4)中国:
重于思辨;理论表述模糊,以具体情境案例隐喻规律(经验型思维特征)。
古希腊:
表述细致;重于逻辑;初步实验下的定量(数学)规律;公理化思想,寻求更加基本的原理(理论思维特征)。
——科学诞生的几个要素:
实验、逻辑、数学、公理化思想。
总之,古代西方的古代物理学的这些特点已经孕育了近代物理学的萌芽,一旦一定的社会历史条件成熟,它们必将开花结果,显现出旺盛的生命力,历史的发展已经证明了这一点。
中国古代物理学成就几乎全是中国人自己独自创造出来的,这一点与古希腊古代物理学的发展不同,古希腊的早期科学如几何学、天文学中的很多东西是从河流文明古国那里学来的。
正是这种独创的科技成就的长期发展,历代继承,才形成了中国古代的古代物理学体系。
总体看来,“中国古代物理学的发展是持续的。
”不像西方的物理学,有古希腊的繁盛也有中世纪漫长的沉寂以及文艺复兴后的崛起。
然而,这种持续,与其说是发展的持续不如说在中国历史上有些有价值的物理知识还能够借助于典籍得以保存下来,而不像西方人曾经将古希腊的科学及文化曾统统丧失殆尽而依靠外族阿拉伯世界后来才得以复兴。
事实上从观历史,中国古代物理学有明显停滞不前甚至倒退的倾向,偶尔的、些许的进步无法改变这整体格局。
无论是对力的本质的认识、对运动的认识、对共鸣现象的认识、对热的本质的认识等等,很难看到秦汉以后的持续的明显的深化。
这种代代因袭相传的现象很难等价于持续发展。
究其原因,用现在的话说,科学研究者、物理学研究者,在中国古代历史上没有形成真正意义的科学共同体。
可以想象在中国古代肯定很早就存在那种带有垄断、保密性质的非文字的科学知识传承方式,但这种方式极易导致失传。
能够传承下来的思想主要还是依赖文字载体,而这就需要文化人(知识分子或士绅)参与。
但这往往不是他们的“专业”工作。
因此科学思想得以延续可以说完全是个人爱好行为。
这种现象当然是由社会对科学的态度或科学的社会地位决定的。
在古代中国,被社会认同的知识阶层的第一选择从来不曾是从事科学活动。
从这个角度看,所谓中国古代物理学的持续发展只是一个假象,实际上是后劲不足,后继者的出现具有极大的随机性、不确定性。
在这种大形势、大背景下,从事一定物理学研究或对其感兴趣的人不是多数学而优则仕的有闲的儒者而多是落魄的民间读书人或者是宗教人士(包括爱好者)。
因此中国古代占主导地位的自然观或物理学的理论要么缺乏要么太过高妙,与实际经验技术之间距离过大,联系不够紧密,看似对一切现象均可笼统解释,然而多不中肯綮,不利于实证,没有多少真正的指导意义。
11研究中西方古代物理学成就对中学物理教学的启示
物理教育的主要内容属于物理课程的核心地位,应包括最基本的物理知识、学科方法、科学思想和科学精神,它们是学生智力开发、能力发展、个性形成及后续学习的基本条件。
”我们不能只把掌握科学知识当作教育的唯一目的,作为教育工作者更应该关心的是怎样使传播知识的过程成为掌握发现真理、探索新知识的科学方法、开发学生智慧、培养学生创新精神和实践能力的过程。
物理科学方法在物理教育有以下重要性:
(1)从物理学科教育的基本要求来看,学生不但要学习知识,还要学习科学方法。
按照现代教育思想,无论大、中、小学的什么学科,首先要学生学习这门学科的基本结构,即就是这门学科的基础知识、基本原理和规律,以及研究这门学科的基本方法。
每门学科在一定阶段的知识是有限的,让学生学会进一步掌握知识方法,使学生掌握学科的基本结构,发展学生终身学习的能力,是学生学习该学科的真正目的和意义所在。
古人曰“授人以鱼,只供一饭之需;教人以渔,则终身受用无穷”,而我们现在的教学往往只注重基本原理和规律的纯知识的教学而忽视科学方法的教育,也就达不到物理教育的目的。
(2)按照人类认识和学习知识的规律来看,应该注重科学方法。
依照教育心理学规律:
人们认识和学习客观规律过程有三个阶段,即建立实践基础阶段、用科学方法进行思考阶段、归纳总结规律阶段。
我们平时教学只重视实践到认识,硬性让学生接受知识,缺乏应用科学方法总结规律的过程,而寻求和应用科学方法进行思考、归纳总结得出规律的过程就象福尔摩斯探案一样,恰恰是最富有魅力的过程,对启发学生的智慧具有十分重要的作用。
只有对一个知识、规律的形成过程和思考方法全面理解,才能真正确理解、应用这一知识、规律。
(3)从现阶段实施素质教育和培养人才来看,学习和掌握科学方法有利于尽快培养高素质的创造型人才。
以往的物理教学中,我们过于注重知识本身的系统传授,离开方法和思想的知识是“死”知识,消极接受知识的学生只能成为知识
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- 中国 西方 古代 物理学 成就 比较