第三章近代科學(xué)技術(shù)教學(xué)目標(biāo)：掌握牛頓力學(xué)體系的建立過程，第一次技術(shù)革命，19世紀(jì)自然科學(xué)三大發(fā)現(xiàn)，第二次技術(shù)革命；熟悉近代科學(xué)的崛起過程，哥白尼日心說，伽利略的理想實(shí)驗(yàn)；了解牛頓萬(wàn)有引力定律，熱力學(xué)第二定律。教學(xué)重點(diǎn)：牛頓力學(xué)體系的建立過程，達(dá)爾文進(jìn)化論，第一、二次技術(shù)革命。教學(xué)難點(diǎn)：牛頓萬(wàn)有引力定律，熱力學(xué)第二定律。教學(xué)方法與手段：講授法，多媒體輔助。本章主要閱讀文獻(xiàn)資料：吳國(guó)盛著，《科學(xué)的歷程》，北京：北京大學(xué)出版社2002年10月版。第一節(jié)近代科學(xué)誕生一、近代科學(xué)革命（一）哥白尼革命1.生平：哥白尼（1473-1543）生于波蘭，早年在波侖亞大學(xué)、帕多瓦大學(xué)學(xué)習(xí)過法律、醫(yī)學(xué)、神學(xué)。1512年后擔(dān)任神職人員達(dá)30年，業(yè)余時(shí)間從事天文觀測(cè)和研究。1543年《天體運(yùn)行論》問世，出版后不久作者去世。跟現(xiàn)代的誤傳相反，羅馬教廷最初沒有太關(guān)注日心說，而且據(jù)麥克萊倫，1551年天文學(xué)家賴因霍爾德根據(jù)哥白尼原理制定了普魯士表，1582年制定的格里高利歷就是根據(jù)該表修訂的。后來布魯諾和伽利略公開宣傳日心說，危及了教會(huì)的統(tǒng)治，羅馬教廷于公元1616年把《天體運(yùn)行論》列為禁書。2.日心說：太陽(yáng)是宇宙的中心，行星都繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)，地球是圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的一顆普通行星，本身在自轉(zhuǎn)著；月球是地球的衛(wèi)星，地球帶著月球繞日運(yùn)行，行星在太陽(yáng)系中的排列次序是土、木、火、地、金、水，它們的繞日周期分別為30年、12年、2年、1年、9個(gè)月、80天（后來精確測(cè)量為88天）；恒星固定在天球上。拯救現(xiàn)象的傳統(tǒng)：天體周日運(yùn)動(dòng)、太陽(yáng)周年運(yùn)動(dòng)、月球周月運(yùn)動(dòng)軌跡明顯都是圓，可是行星的運(yùn)動(dòng)以恒星為背景觀測(cè)的話，在長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)變慢、停止、后退，再停止、再向前的現(xiàn)象，在天空劃出一個(gè)大扁環(huán)。柏拉圖要求天文學(xué)家拯救這些現(xiàn)象，在行星運(yùn)動(dòng)為勻速圓周運(yùn)動(dòng)的前提下，解釋觀察到的現(xiàn)象，這是從柏拉圖時(shí)代到哥白尼時(shí)代，天文學(xué)家要解釋的中心問題之一。哥白尼日心說也遵循了這種傳統(tǒng)，他保留了水晶天球的概念和正圓形軌道的概念。《天體運(yùn)行論》扉頁(yè)上的一句話：“不懂幾何學(xué)者莫入?！彼媾R兩大難題：恒星視差和地動(dòng)拋物。哥白尼的解釋不是太有力。其中恒星視差的解釋和阿利斯塔克（Aristarchus，前310-230）的解釋一樣。恒星周年視差在19世紀(jì)上半葉才被天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)。這個(gè)尺度在0.25角秒左右，相當(dāng)于在20公里開外看一枚硬幣。3.對(duì)立面⑴托勒密地心說。反對(duì)理由之一：如果地球高速旋轉(zhuǎn)，它會(huì)分裂為碎片。⑵亞里士多德的運(yùn)動(dòng)學(xué)和常識(shí)。亞氏認(rèn)為物質(zhì)的基本元素包括四種：土、水、火、氣。⑶新教。馬丁·路德在得知哥白尼學(xué)說以后，對(duì)哥白尼膽敢違抗圣經(jīng)的行為表示公開的反對(duì)，并指責(zé)哥白尼說：“這位新奇的天文學(xué)家，企圖證明旋轉(zhuǎn)著的是地球，而不是天體、太陽(yáng)和月亮?！挥猩倒喜畔氚颜麄€(gè)天文學(xué)連底都翻過來。圣經(jīng)上明明寫著，約書亞喝令其停止不動(dòng)的是太陽(yáng)而不是地球（《舊約》《約書亞記》第十章12節(jié)）?！保ǘ╅_普勒：天空立法者開普勒（Kepler1571-1630）是丹麥天文學(xué)家第谷（1546-1601）的學(xué)生。他在第谷去世前兩年擔(dān)任第谷的助手，最初試圖建立行星（火星）的圓形軌道，但沒有成功，開普勒1609年出版的《新天文學(xué)》、1618年出版的《哥白尼天文學(xué)概論》，先后公布了行星運(yùn)動(dòng)三定律：第一定律（軌道定律）：所有行星都沿橢圓軌道運(yùn)行，太陽(yáng)位于這些橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。第二定律（面積定律）：太陽(yáng)至行星的連線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過相等的面積。第三定律（周期定律）：行星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一周的時(shí)間（運(yùn)行周期）的平方同軌道長(zhǎng)半軸的立方成正比。至此太陽(yáng)系概念牢牢建立，托勒密和哥白尼的均輪和本輪被徹底清除。1627年開普勒完成第谷的意愿，出版了《魯?shù)婪蛐潜怼?，該星表在此后的百余年中一直被天文學(xué)家和航海家奉為經(jīng)典。（三）伽利略：近代物理學(xué)之父1.生平：伽利略（1564-1642）生于意大利比薩，早年在比薩大學(xué)學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)，由于對(duì)數(shù)學(xué)感興趣，沒有拿到學(xué)位就于1585年離開了學(xué)校，潛心研究歐幾里德幾何學(xué)和阿基米德物理學(xué)，1589年獲得比薩大學(xué)數(shù)學(xué)教授職位。是經(jīng)典力學(xué)的奠基人，發(fā)現(xiàn)了自由落體定律、慣性原理和拋射體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并深入地研究擺的等時(shí)性運(yùn)動(dòng)。他1610年寫成《星際信使》一書，認(rèn)同哥白尼觀點(diǎn)，后來公開支持日心說。1632年發(fā)表《關(guān)于兩大世界體系的對(duì)話》并因此書惹禍，被羅馬宗教裁判所逮捕，1633年6月22日強(qiáng)迫悔過，接著被判終身監(jiān)禁。7月入獄，12月后被移送到佛羅倫薩附近的家中。雖然已經(jīng)半盲，仍繼續(xù)科學(xué)研究，1638年出版了《關(guān)于兩種新科學(xué)的談話》（DiscoursesonTwoNewSciences）。2.天文學(xué)貢獻(xiàn)。伽利略1609年用自制的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太空，但是當(dāng)時(shí)的大多數(shù)哲學(xué)家和天文學(xué)家對(duì)望遠(yuǎn)鏡看到的現(xiàn)象持嘲笑態(tài)度，認(rèn)為伽利略弄虛作假。頑固的學(xué)者甚至拒絕用望遠(yuǎn)鏡看天空。他的觀測(cè)打破了以前“月亮是完美無(wú)缺的”觀念。不過伽利略拒絕把他的動(dòng)力學(xué)原理從地面推廣到太空，他仍然認(rèn)為天做完美的正圓運(yùn)動(dòng)，不會(huì)做慣性運(yùn)動(dòng)。3.科學(xué)理論和方法的貢獻(xiàn)。關(guān)于落體運(yùn)動(dòng)、慣性運(yùn)動(dòng)的研究。（這兩種研究都是依據(jù)斜面實(shí)驗(yàn)）。慣性原理——“物體沿水平面運(yùn)動(dòng)，沒有任何阻力時(shí)，那么……它的運(yùn)動(dòng)是均勻和永無(wú)止境的，只要平面在空間中是無(wú)限的話。”“任何物體都不能自己變換運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”。（《關(guān)于兩種新科學(xué)的談話》）傳說中（虛構(gòu)）的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)和實(shí)際的斜面實(shí)驗(yàn)。伽利略是近代科學(xué)方法的創(chuàng)立者，他一方面將實(shí)驗(yàn)對(duì)象和操作過程加以理想化，通過人為的控制減少非必要因素的干擾，使自然過程更加純化，從而創(chuàng)立了真正的科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，另一方面在把實(shí)驗(yàn)方法和科學(xué)方法結(jié)合中，尤其注重分析過程，同時(shí)對(duì)數(shù)學(xué)賦予了確定的物理意義，使實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)方法更加成熟、完善。伽利略因此被稱為近代物理學(xué)之父。二、牛頓力學(xué)的建立（一）牛頓生平牛頓：“如果我比別人看得遠(yuǎn)些，那是因?yàn)槲艺驹诰奕藗兊募绨蛏?。”牛頓（1643-1727）出生于英國(guó)林肯郡伍爾索普鄉(xiāng)村。1661年入劍橋大學(xué)三一學(xué)院學(xué)習(xí)。1665-1666回鄉(xiāng)躲避瘟疫，他的天才成就在這個(gè)時(shí)期奠定了基礎(chǔ)。1671年皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，1687年發(fā)表《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。1699造幣廠廠長(zhǎng)，1703年當(dāng)選為皇家學(xué)會(huì)主席，以后連選連任直到逝世。1705年被冊(cè)封為艾薩克爵士。1727年牛頓辭世時(shí)，他已經(jīng)成為萬(wàn)眾景仰的智慧之王者，英國(guó)為他舉行國(guó)葬，為他抬棺送行的是八名身份顯赫的貴族。18世紀(jì)英國(guó)詩(shī)人蒲柏（A.Pope）以《圣經(jīng)》《創(chuàng)世紀(jì)》述說上帝創(chuàng)造光照亮大地的格體寫成的頌辭：“自然與自然規(guī)律隱匿于暗夜之中／上帝說，‘讓牛頓出世吧'／于是，一切都變得光明”。（二）萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)荷蘭物理學(xué)家惠更斯發(fā)現(xiàn)了向心力和速度、半徑的關(guān)系，胡克獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)和行星之間的引力的距離平方反比定律。但牛頓證明了在此力作用下物體肯定做圓錐曲線運(yùn)動(dòng)，并把它推廣到所用物體中去這就是萬(wàn)有引力定律：太陽(yáng)系中任何兩個(gè)天體間存在著相互吸引的作用力，并且這一引力也存在于地面的任何兩個(gè)物體之間。這一引力的大小不僅與物體間的距離平方成反比，而且與兩物體的質(zhì)量的乘積成正比。（三）牛頓運(yùn)動(dòng)三定律簡(jiǎn)介（四）革命之后在牛頓的時(shí)代（科學(xué)知識(shí)的第一次大綜合時(shí)代），人類學(xué)術(shù)觀點(diǎn)方面的革命，也帶來了教條的宗教信仰的陳述方面的革命。一方面，人們的宇宙觀改變，比如光不再是神秘物質(zhì)，不再是上帝的住所，而成為一種物理現(xiàn)象。另一方面，以神秘主義方式表現(xiàn)的柏拉圖主義轉(zhuǎn)換為合乎理性的柏拉圖主義，它經(jīng)過伽利略和開普勒的思想成為牛頓的數(shù)學(xué)體系。第二節(jié)第一次技術(shù)革命一、英國(guó)的技術(shù)革命、產(chǎn)業(yè)革命（一）第一次技術(shù)革命發(fā)源于英國(guó)，從18世紀(jì)60年代開始到19世紀(jì)40年代完成。它開始于紡織業(yè)的機(jī)械化，以蒸汽機(jī)的發(fā)明和廣泛使用為主要標(biāo)志，最后波及其他輕工業(yè)、重工業(yè)，英國(guó)因此率先成為工業(yè)國(guó)家。（二）紡織機(jī)的革新與蒸汽機(jī)的改進(jìn)：1733年，約翰·凱伊：織布飛梭；1760S織布工人哈格里沃斯發(fā)明了珍妮紡紗機(jī)。1769年阿克賴特（Arkwright）發(fā)明了水力紡紗機(jī)，后來開辦了一系列的機(jī)械化的紡織廠。瓦特：1769年冷凝器專利獲得批準(zhǔn)，1782年設(shè)計(jì)出雙向蒸汽機(jī)。蒸汽技術(shù)革命：1807年富爾頓制造的木質(zhì)輪船試航成功。1837年英國(guó)輪船完全依靠蒸汽動(dòng)力橫渡大西洋成功，1814年英國(guó)發(fā)明家史蒂芬森設(shè)計(jì)成功第一臺(tái)實(shí)用的蒸汽機(jī)車。二、法國(guó)的產(chǎn)業(yè)革命和科學(xué)興衰（一）法國(guó)緊隨英國(guó)開始其工業(yè)化進(jìn)程，在技術(shù)創(chuàng)新、資金運(yùn)用、工業(yè)化模式上，法國(guó)最大限度地借鑒了英國(guó)的經(jīng)驗(yàn)，后來居上。根據(jù)湯淺光朝的研究，法國(guó)到1830S前一直是新的科學(xué)中心。18世紀(jì)法國(guó)的杰出科學(xué)家有：拉格朗日、蒙日、達(dá)朗貝爾、拉普拉斯、拉瓦錫、庫(kù)侖、傅里葉。美國(guó)的工業(yè)化是靠引進(jìn)西歐先進(jìn)基礎(chǔ)開始的，完成于18世紀(jì)50～60年代。（三）科學(xué)技術(shù)關(guān)系：第一次工業(yè)革命是在近代科學(xué)發(fā)展的背景下發(fā)生的。但是直到19世紀(jì)初，科學(xué)對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活仍然保持著相當(dāng)?shù)莫?dú)立性，仍處于社會(huì)的邊緣?？茖W(xué)的成果并不能迅速、經(jīng)常地轉(zhuǎn)化為技術(shù)。工業(yè)革命中的技術(shù)突破主要是一些能工巧匠完成的。（四）幾個(gè)事實(shí)：科學(xué)革命和技術(shù)革命發(fā)生的時(shí)間先后順序，科學(xué)發(fā)展后技術(shù)發(fā)生變革。第三節(jié)近代科學(xué)的全面發(fā)展一、經(jīng)典物理學(xué)的成熟（一）熱學(xué)的形成1.能量守恒原理主要是借助熱功當(dāng)量的測(cè)定而得以確立，故常常稱為熱力學(xué)第一定律。由多位科學(xué)家在1840年代后以不同的方式獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，而發(fā)表形式也不盡相同。其中比較著名的有德國(guó)醫(yī)生邁爾、英國(guó)科學(xué)家焦耳、德國(guó)科學(xué)家赫爾姆霍茨。2.1851年，開爾文發(fā)表《論熱的動(dòng)力理論》，系統(tǒng)地闡述了他的熱力學(xué)理論。文中第一次提出了熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的概念。其中第二定律是：從單一熱源吸取熱量使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響是不可能的。1850年克勞修斯表述：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。1865年他又用熵的來表述的形式：在封閉系統(tǒng)中，熱現(xiàn)象宏觀過程總是向著熵增加的方向進(jìn)行，當(dāng)熵到達(dá)最大值時(shí)，系統(tǒng)到達(dá)平衡態(tài)。（二）光學(xué)的發(fā)展1.波動(dòng)說和微粒說的對(duì)立2.波動(dòng)說的復(fù)興1801年托馬斯·揚(yáng)光的干涉實(shí)驗(yàn)。光是橫波的觀點(diǎn)解釋了光的折射、干涉和偏振現(xiàn)象。3.光速的測(cè)定：菲索、傅科（三）電磁學(xué)的建立1.電磁學(xué)的早期成果伽伐尼：發(fā)現(xiàn)電流的存在，標(biāo)志著在靜電之外開辟了動(dòng)電即電流研究的新領(lǐng)域。伏特：伏特電池。歐姆：發(fā)現(xiàn)了電位差、電流強(qiáng)度和電阻之間的定量關(guān)系（歐姆定律）。19世紀(jì)，電流磁效應(yīng)和電磁感應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致了電磁學(xué)的建立。2.電磁理論的集大成者：麥克斯韋麥克斯韋把電、磁、光統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)理論上的又一次大綜合。3.電磁波的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：赫茲二、生物學(xué)的飛躍（一）分類學(xué)對(duì)分類學(xué)發(fā)展作出重大貢獻(xiàn)的是瑞典生物學(xué)家林耐，出版了《自然系統(tǒng)》，形成“林氏24綱”。（二）進(jìn)化論1.拉馬克1809年出版了《動(dòng)物學(xué)哲學(xué)》，達(dá)爾文1859年發(fā)表《物種起源》。2.達(dá)爾文主義：赫胥黎、?？藸枴⑺官e塞（三）細(xì)胞學(xué)說1838年德國(guó)科學(xué)家施萊登《論植物的發(fā)生》，1839年施旺提出了細(xì)胞學(xué)說。施旺認(rèn)為：一切動(dòng)物和植物有機(jī)體都是由細(xì)胞構(gòu)成，都是由細(xì)胞的繁殖和分化發(fā)展而來的，每個(gè)細(xì)胞是生命的獨(dú)立單位，同時(shí)又在生物機(jī)體內(nèi)相互協(xié)調(diào)構(gòu)成統(tǒng)一的整體。第三節(jié)第二次技術(shù)革命一、科學(xué)強(qiáng)國(guó)的興衰（一）大國(guó)興衰1.德國(guó)1830年，當(dāng)英國(guó)產(chǎn)業(yè)革命達(dá)到高潮時(shí)，德國(guó)還是一個(gè)落后的農(nóng)業(yè)國(guó)。在科學(xué)技術(shù)上也遠(yuǎn)比英法落后?？墒墙?jīng)過50年的基礎(chǔ)科學(xué)全面發(fā)展，19世紀(jì)中葉后德國(guó)成為世界科學(xué)中心。然后用極短的時(shí)間完成了第一次產(chǎn)業(yè)革命，而且率先發(fā)起了以內(nèi)燃機(jī)和電力技術(shù)為標(biāo)志的第二次技術(shù)革命（有人認(rèn)為從1870年開始）。從1851年到1900年的50年間，理論科學(xué)和技術(shù)科學(xué)上的重大成果計(jì)數(shù)，英國(guó)占106項(xiàng)、法國(guó)占65項(xiàng)、美國(guó)占33項(xiàng)，而德國(guó)占202項(xiàng)。李比希學(xué)派；著名科學(xué)家：李比希、維勒、霍夫曼、凱庫(kù)勒、赫爾姆霍茨、克勞修斯……化學(xué)工業(yè)的興起。2.美國(guó)美國(guó)人的實(shí)用主義在科學(xué)事業(yè)上發(fā)揮得淋漓盡致，他們急于解決實(shí)際問題，在19世紀(jì)積累了世界上最豐富的技術(shù)發(fā)明，但在基礎(chǔ)理論研究上沒有太大的貢獻(xiàn)。基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。工業(yè)實(shí)驗(yàn)室的建立。19世紀(jì)中葉出現(xiàn)的一項(xiàng)重要革新是采用可互換零部件的美國(guó)制造制度（起源于英國(guó)，但在美國(guó)得到廣泛應(yīng)用）。二、核心技術(shù)1.內(nèi)燃機(jī)和汽車：奧托（德）、戴姆勒（德）、狄塞爾（德）；本茨（德）、戴姆勒（德）、福特（美）。2.電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)：1832年皮克西（法），第一臺(tái)永磁式直流發(fā)電機(jī)；1866年西門子（德），自激式直流發(fā)電機(jī)。1870年格拉姆（比利時(shí)），環(huán)形電樞直流發(fā)電機(jī)。3.電報(bào)電話：1844年莫爾斯（美），有線電報(bào)。1876年貝爾（美），電話。4.電燈電影：1879年愛迪生（美）：白熾燈。1894年，愛迪生的公司拍攝世界上第一部電影。5.無(wú)線電：1895年馬可尼（意）與波波安（俄）：無(wú)線電通信。三