从伽利略到牛顿.pptx
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1、武际可:科技史选讲之五1 从伽利略到牛顿从伽利略到牛顿武际可:科技史选讲之五2uu 科学的真科学的真理不应该在古代圣人科学的真科学的真理不应该在古代圣人科学的真科学的真理不应该在古代圣人科学的真科学的真理不应该在古代圣人的蒙着灰尘的书上去找,而应该在实验中的蒙着灰尘的书上去找,而应该在实验中的蒙着灰尘的书上去找,而应该在实验中的蒙着灰尘的书上去找,而应该在实验中和以实验为基础的理论中去找。真正的哲和以实验为基础的理论中去找。真正的哲和以实验为基础的理论中去找。真正的哲和以实验为基础的理论中去找。真正的哲学是写在那本经常在我们眼前打开着的最学是写在那本经常在我们眼前打开着的最学是写在那本经常在我
2、们眼前打开着的最学是写在那本经常在我们眼前打开着的最伟大的书里面的,这本书就是宇宙,就是伟大的书里面的,这本书就是宇宙,就是伟大的书里面的,这本书就是宇宙,就是伟大的书里面的,这本书就是宇宙,就是自然界本身,人们必须去读它。自然界本身,人们必须去读它。自然界本身,人们必须去读它。自然界本身,人们必须去读它。uu伽利略伽利略伽利略伽利略武际可:科技史选讲之五3n n经过从远古到中世纪漫长岁月的积累,力学的发展经过从远古到中世纪漫长岁月的积累,力学的发展来到一个大飞跃的时期来到一个大飞跃的时期1717世纪。力学是关于物体世纪。力学是关于物体平衡和运动的科学,谈到运动的精确化,就得和时平衡和运动的科
3、学,谈到运动的精确化,就得和时间的量度密切相联系。在历史上,力学的精确化首间的量度密切相联系。在历史上,力学的精确化首先是从对天体运动观测和描述的精确化开始的。这先是从对天体运动观测和描述的精确化开始的。这是因为天上的行星运动相对缓慢,是以日、月、年是因为天上的行星运动相对缓慢,是以日、月、年为单位来计算的,在时间量度上没有什么困难。还为单位来计算的,在时间量度上没有什么困难。还因为天体的受力相对简单,没有像地上的事物如车因为天体的受力相对简单,没有像地上的事物如车的运动,受有各种复杂的力不易分析清楚。我们说的运动,受有各种复杂的力不易分析清楚。我们说开普勒关于行星运动的三定律是经典力学的序曲
4、,开普勒关于行星运动的三定律是经典力学的序曲,是因为这些定律给出了天上行星的运动学规律。一是因为这些定律给出了天上行星的运动学规律。一旦将运动学和力联系起来,力学学科便走向成熟了。旦将运动学和力联系起来,力学学科便走向成熟了。前言武际可:科技史选讲之五4n n前言前言1.1.伽利略的生平与科学贡献伽利略的生平与科学贡献2.2.2.2.惠更斯和其他学者的贡献惠更斯和其他学者的贡献3.3.3.3.牛顿及其在力学发展中的贡献牛顿及其在力学发展中的贡献武际可:科技史选讲之五5n n这一时期出现了一批杰出的力学家,而其中最为卓越的是伽利略、惠更斯和牛顿。伽利略可以说是近代科学的鼻祖,他的贡献是多方面的。
5、在力学上,他最早给出惯性原理表述、给出了落体和抛体的运动规律。惠更斯是摆钟的发明人,他给出了圆周运动的规律。而牛顿则是一位善于总结前人经验的大师,是他归纳和发展了前人的研究成果构筑起经典力学的大厦。武际可:科技史选讲之五6n n在在伽伽利利略略之之前前一一千千多多年年,欧欧洲洲关关于于物物体体运运动动规规律的认识始终是由亚里斯多德学说统治着。律的认识始终是由亚里斯多德学说统治着。n n亚亚里里斯斯多多德德在在论论天天(On On the the hevenheven)中中说说:“一一定定的的重重量量在在一一定定的的时时间间内内运运动动一一定定的的距距离离,一一较较重重的的重重量量在在较较短短的
6、的时时间间内内走走过过同同样样的的距距离离,即即时时间间同同重重量量呈呈反反比比,比比如如,如如果果一一物物的的重重量量为为另另一一物物重重量量的的二二倍倍,则则它它走走过过一一给给定定的的距距离离只只需需一一半半的的时时间间。”11这这就就是是亚亚里里斯斯多多德德著著名的落体下落速度与重量成比例的错误结论。名的落体下落速度与重量成比例的错误结论。11 苗力田主编,苗力田主编,亚里斯多德全集亚里斯多德全集II II,中国,中国人民大学出版社,人民大学出版社,19111911年,第年,第281281页页武际可:科技史选讲之五7亚里斯多德亚里斯多德Aristotle,384B.C.Aristotl
7、e,384B.C.322B.C.322B.C.武际可:科技史选讲之五8n n亚里斯多德对运动作了有益的探求。但是他的亚里斯多德对运动作了有益的探求。但是他的有些错误结论,统治了西方达有些错误结论,统治了西方达20002000年之久。英年之久。英国哲学家罗素(国哲学家罗素(Russell,BRussell,B.,1872-1970,1872-1970)在评价)在评价他时说:他时说:“他生当希腊思想创造时期的末叶;他生当希腊思想创造时期的末叶;而他死之后一直过了两千年,世界才又产生出而他死之后一直过了两千年,世界才又产生出来任何可以认为是大致能和他相匹敌的哲学家。来任何可以认为是大致能和他相匹敌的
8、哲学家。直迄这个时期的末尾,他的权威性差不多始终直迄这个时期的末尾,他的权威性差不多始终是和基督教会的权威性一样地不容置疑,而且是和基督教会的权威性一样地不容置疑,而且它在科学方面也如在哲学方面一样,始终是对它在科学方面也如在哲学方面一样,始终是对于进步的一个严重障碍。自于进步的一个严重障碍。自1717世纪初以来,几世纪初以来,几乎每一种认真的知识进步,都必须是从攻击某乎每一种认真的知识进步,都必须是从攻击某种亚里斯多德的学说开始的。种亚里斯多德的学说开始的。”武际可:科技史选讲之五9罗素Russell,B.1872-1970武际可:科技史选讲之五101 伽利略的生平与科学贡献伽利略的生平与科
9、学贡献n n11 伽利略的生平n伽利略(Glileo Galilei,1564,2,151642,1,8)出生于意大利的比萨,他的父亲是一位音乐家,在音乐理论和音乐实践上都很有成就。伽利略是7个孩子中的老大。他10岁之前一直住在比萨,之后迁往佛罗伦萨,上了几年学后,被送往卡马多萨(Camaldolese)修道院。他作为一名见习修士加入了修道会。不过,他父亲却希望他去学医,重将他接回佛罗伦萨。武际可:科技史选讲之五11n n1581年,当伽利略17岁时,来到比萨大学学医。在学校里,他以数学和物理见长,而且因为善于辩论而闻名全校。1585年,伽利略离校回家,专门研究古希腊人的科学著作。根据阿基米德
10、的浮力原理,他发明了测定合金成分的流体静力学天平,这项工作引起了意大利学术界的注意,有人称他为“当代的阿基米德”。武际可:科技史选讲之五12n n伽利略在佛罗伦萨教了几年书后,于1587年首次访问了罗马。在那里接触了一些数学家与天文学家。1589年,伽利略写了一篇论固体重心的论文,获得了人们的称道,因而他获得比萨大学数学教授职位,这时他刚满25岁。1592年他又受聘到帕多瓦大学数学教授,这时的薪水是比萨大学的三倍。武际可:科技史选讲之五13伽利略像伽利略像武际可:科技史选讲之五14n n伽利略的一生,大致可以分为三个时期:在比萨大学任教三年(15891591),在帕多瓦(Padua)大学任教1
11、8年(15921610),之后他回到佛罗伦萨任托斯康大公爵的首席哲学家和数学家(16101642)。武际可:科技史选讲之五15n n伽利略是哥白尼学说的忠诚的拥护者,但是在大学教学的二十多年中他一直没有讲授哥白尼学说。1613年他推荐卡斯特利接替他原任比萨大学数学教授职位,卡斯特利一上任,校方就警告他不得讲授哥白尼学说。卡斯特利说:伽利略嘱咐过我,伽利略教书20年中也没有讲过哥白尼学说。然而伽利略的一系列科学上的新发现都是与日心说不谋而合的。武际可:科技史选讲之五16n n1610年他写了星际使者一书、1613年他写了关于太阳黑子的书信一书都支持了哥白尼学说。在1616年初,伽利略从地球运动的
12、观点写了一本详细论述潮汐理论的书,把它献给红衣主教奥西尼。1616年2月24日,在宗教法庭红衣教主的每周例会上裁决,要红衣主教贝拉明通知伽利略,不可再坚持被批评的观点。武际可:科技史选讲之五17n n伽利略观测到的科学事实推动了哥白尼学说的传播,因而引起了宗教势力的恐惧。1616年3月5日,天主教宣布哥白尼的天体运行论为禁书。武际可:科技史选讲之五18n n但是,伽利略坚持哥白尼学说的立场并没有为但是,伽利略坚持哥白尼学说的立场并没有为黑暗势力的恫吓而动摇。反而公开站在哥白尼黑暗势力的恫吓而动摇。反而公开站在哥白尼学说的立场,系统地维护和宣传哥白尼学说。学说的立场,系统地维护和宣传哥白尼学说。
13、n n1624162416301630年,伽利略花了很大的精力写出了年,伽利略花了很大的精力写出了巨著巨著关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话话,并于,并于16321632年出版。年出版。n n这本书的出版更加激怒了教会,这本书的出版更加激怒了教会,16331633年年2 2月宗月宗教法庭把伽利略传到罗马,并于教法庭把伽利略传到罗马,并于16331633年年3 3月月1212日审判。宗教法庭强迫年近古稀的伽利略认错,日审判。宗教法庭强迫年近古稀的伽利略认错,责令他居住在被指定的佛罗伦萨郊区,不得离责令他居住在被指定的佛罗伦萨郊区,不得离开,并且不许他写的开,并
14、且不许他写的关于托勒密和哥白尼两关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话大世界体系的对话流传。流传。武际可:科技史选讲之五19n n宗教法庭对伽利略的审判与迫害,是整个人类历史上黑暗势力迫害科学发展的典型。随着科学的发展,越来越证明这种迫害的荒唐。n n在判决伽利略359年后,梵蒂冈终于认识到1633年判决的错误,一个教皇的委员会在1979年组成了。1983年,罗马教廷才宣布“给伽利略定罪的法官犯了错误”。经过这个委员会13年的调查研究,罗马教皇终于在1992年作出了对伽利略正式平反的决定。武际可:科技史选讲之五2012 伽利略在科学上的贡献n n伽利略在科学史上是一位难得的天才。之所以难得,一方
15、面他既精于理论又关心实际问题,另一方面,他是在天文、力学、数学三方面都有突出贡献的学者,三是在方法论上,他既擅长于思辨论证又开系统科学实验与观察的先河,后人称他为“科学实验之父”。武际可:科技史选讲之五21他在科学上的贡献简述如下。n n在天文学方面在天文学方面n n16091609年,他从一位朋友的来信中得知,荷兰有年,他从一位朋友的来信中得知,荷兰有一位名叫利珀希的人有一项奇异的发现,即望一位名叫利珀希的人有一项奇异的发现,即望远镜。他听到这消息后,立即根据光学原理自远镜。他听到这消息后,立即根据光学原理自己制做了一具。他制做的这种望远镜,是由一己制做了一具。他制做的这种望远镜,是由一片度
16、数很小的凸透镜作为物镜和一片度数很大片度数很小的凸透镜作为物镜和一片度数很大的凹透镜作为目镜的组合。至今还被称为伽利的凹透镜作为目镜的组合。至今还被称为伽利略望远镜。这种望远镜经过不断改进后,略望远镜。这种望远镜经过不断改进后,16101610年他制成了放大倍数为年他制成了放大倍数为3232倍的望远镜。他便开倍的望远镜。他便开始用他自制的望远镜观察天空。他是世界上第始用他自制的望远镜观察天空。他是世界上第一个用望远镜观察天空的人。一个用望远镜观察天空的人。武际可:科技史选讲之五22n n16111611年,他用望远镜发现了木星有年,他用望远镜发现了木星有4 4个卫星,个卫星,发现银河是由无数星
17、球组成的。后来他发现金发现银河是由无数星球组成的。后来他发现金星与水星都像月亮一样有圆缺,发现太阳有黑星与水星都像月亮一样有圆缺,发现太阳有黑子,证实了太阳有自转。子,证实了太阳有自转。n n他的这些发现都公布在他的著作他的这些发现都公布在他的著作星际使者星际使者和和关于太阳黑子的书信关于太阳黑子的书信中。他对哥白尼学中。他对哥白尼学说的发展集中反映在他的天文学巨著说的发展集中反映在他的天文学巨著托勒密托勒密与哥白尼两大世界体系的对话与哥白尼两大世界体系的对话中。书中聚集中。书中聚集了他数十年在天文研究上的成果与学术主张。了他数十年在天文研究上的成果与学术主张。对话对话对于托勒密和亚里斯多德系
18、统给了致对于托勒密和亚里斯多德系统给了致命的打击。命的打击。武际可:科技史选讲之五23在力学方面在力学方面n n伽利略是世界上第一个认真研究动力学的学者。伽利略是世界上第一个认真研究动力学的学者。从青年时代他便对物体运动发生了浓厚的兴趣,从青年时代他便对物体运动发生了浓厚的兴趣,他收集前人关于这个问题的研究成果,结果使他收集前人关于这个问题的研究成果,结果使他大失所望。他说:他大失所望。他说:“在自然界没有比物体的在自然界没有比物体的运动更为古老的问题了,但是,关于这个问题运动更为古老的问题了,但是,关于这个问题没有任何有意义的记载。没有任何有意义的记载。”他在力学上的研究他在力学上的研究成果
19、,也同在天文学上的研究成果一样,是对成果,也同在天文学上的研究成果一样,是对亚里斯多德许多陈旧教条的否定。亚里斯多德许多陈旧教条的否定。武际可:科技史选讲之五24n n伽利略是世界上第一个认真研究动力学的学者。伽利略是世界上第一个认真研究动力学的学者。从青年时代他便对物体运动发生了浓厚的兴趣,从青年时代他便对物体运动发生了浓厚的兴趣,他收集前人关于这个问题的研究成果,结果使他收集前人关于这个问题的研究成果,结果使他大失所望。他说:他大失所望。他说:“在自然界没有比物体的在自然界没有比物体的运动更为古老的问题了,但是,关于这个问题运动更为古老的问题了,但是,关于这个问题没有任何有意义的记载。没有
20、任何有意义的记载。”他在力学上的研究他在力学上的研究成果,也同在天文学上的研究成果一样,是对成果,也同在天文学上的研究成果一样,是对亚里斯多德许多陈旧教条的否定。亚里斯多德许多陈旧教条的否定。武际可:科技史选讲之五25n n伽利略提出了惯性原理,即:一个物体一旦运动起来,便一直用同一速度沿同样的方向不断运动。n n伽利略给出了斜面上物体下落的运动规律,他说这种情形也是匀加速运动。他还说:“一个物体的末速度是随垂直高度而变,而与斜面的倾角无关。”这一结论可以看为能量守恒定律最早期的表述。n n伽利略进行了摆的实验,发现了摆周期的等时性原理。武际可:科技史选讲之五26武际可:科技史选讲之五27n
21、n在振动方面,他说明一个律音的音调依赖于一个给定时间内振动的次数。伽利略是第一个将音律与振动的频率联系起来的学者。n n在静力学与梁等方面他对梁进行了最早的实验研究。武际可:科技史选讲之五28伽利略关于梁的试验武际可:科技史选讲之五29n n伽利略在力学方面的成果集中反映在他的著作关于两种新科学的谈话中,他这里所说的两种新科学指的是材料力学和动力学。n n伽利略对数学问题的研究,反映在他对无限的认识上,他在对力学问题的论证方法上恢复了阿基米德的传统。武际可:科技史选讲之五30n n 关于匀加速度运动中伽利略在关于两种新科学的谈话中有这样的定理:n n(美)威弗马吉编,物理学原著选读,商务印书馆
22、,1986年,第426页n n定理1,命题1。匀加速运动的物体移动一段距离所需的时间,等于同样的物体以匀加速运动的最小速度与最大速度之和的一半的速度移动同样距离所需的时间。1 13 3 伽利略的原著选段伽利略的原著选段武际可:科技史选讲之五31事实上,令AB表示物体由C到D作匀加速运动所需的时间。在AB上我们画出增加的速度,最后的速度用直线EB表示。我们画出AE以及一些平行于EB的线来表示增加的速度。我们把EB分成一半,分点为F并画直线FG平行于BA,GA平行于FB。平行四边形AGFB等于AEB。武际可:科技史选讲之五32关关于于落落体体运运动动 伽伽利利略略有有下下述述定定理:理:n n定理
23、2,命题2。物体从静止降落,以匀加速运动,其所通过的各空间距离,与通过这各个距离所需的时间的平方成正比例。武际可:科技史选讲之五33图3 伽利略关于抛物体运动的示意武际可:科技史选讲之五34武际可:科技史选讲之五35关于抛射体的运动,伽利略认为它关于抛射体的运动,伽利略认为它走的是抛物线,他说:走的是抛物线,他说:武际可:科技史选讲之五36n n设有一个升高的水平线或水平面设有一个升高的水平线或水平面abab,一个物体沿着它,一个物体沿着它从从a a到到b b作匀速率的运动。设该平面在作匀速率的运动。设该平面在b b点遽然截断;那点遽然截断;那么,在断点上,该物体由于本身的重量就会沿么,在断点
24、上,该物体由于本身的重量就会沿bnbn而下而下降的自然运动。沿平面降的自然运动。沿平面baba画线画线bebe来表示时间的流逝或来表示时间的流逝或量度;将该线分成量度;将该线分成bcbc、cdcd、dede等线段以表示同等的时等线段以表示同等的时间间隔;从间间隔;从b b、c c、d d、e e各点画出与垂线各点画出与垂线bnbn平行的物体平行的物体降落线。在第一落线上画出任何距离降落线。在第一落线上画出任何距离ci ci,在第二落线上,在第二落线上画出比画出比ci ci长长4 4倍的距离倍的距离dfdf;在第三落线上画出比;在第三落线上画出比ci ci长长9 9倍倍的距离的距离eh,eh,等
25、等,以与等等,以与cbcb、dbdb、ebeb的平方成正比,或者的平方成正比,或者可以说,与这些线成平方比。这样,我们可以看出,可以说,与这些线成平方比。这样,我们可以看出,当该物体以匀速律从当该物体以匀速律从b b运动到运动到c c时它也通过距离时它也通过距离ci ci而竖直而竖直降落并在时间间隔降落并在时间间隔bcbc的末端落到的末端落到i i点上。点上。武际可:科技史选讲之五37n n同样在等于同样在等于bcbc一倍的时间间隔一倍的时间间隔bdbd的末端,竖直降落的距离的末端,竖直降落的距离将等于第一距离将等于第一距离ci ci的的4 4倍;因为,正如以前讨论所指明的,倍;因为,正如以前
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