第一章_近代自然科学的初步发展

第一章 近代自然科学的初步发展 教学内容：近代科学在天文学和医学生理学的突破 经典力学的奠基和牛顿的综合工作 其他学科的发展 近代科学方法 教学目的：通过本次课的教学，近代科学在天文学和医学生理学的突破, 知道经典力学的奠基和牛顿的综合工作, 知道其他学科的发展。

教学学时：2学时,多媒体教室讲授2学时 课程类型及教学方法：新授理论课(电子课件) 重点难点：近代科学在天文学和医学生理学的突破, 知道经典力学的奠基和牛顿的综合工作 教学过程： 向未知地进军 15世纪是人类向地球上未知的海洋和陆地进军的时代。1403年，郑和率领庞大的舰队西周游南海各地并远航至阿拉伯地区和非洲东海岸。觊觎东方财富的欧洲冒险家们则向南和向东探险。1488年，巴托罗缪.狄亚士绕过好望角，达.伽马于1497－1499年间完成的航行最终确定了从欧洲经印度洋到东方的航线。 虽然很早就有学者知道地球是圆的，但哥伦布固执地相信它并没有人们说的那样大，因此他才坚持认为向西航行也可以到达遍地是黄金和香料的东方。这一错误的估计使他作出那胆大包天的探险计划，1492年由他率领的三艘帆船抵达美洲大陆。 “我要废寝忘食地工作，作为一个细心的航海家，我将竭尽全力地完成使命，以坚韧不拔的毅力战胜一切艰难险阻。”──哥伦布致西班牙国王陛下的信 1519－1522年间，葡萄牙人麦哲伦率领的船队最终完成了人类首次环球航行。 商业革命 地理大发现带来了经济的急剧扩张，使西欧工商业空前发展，为资本主义的发展提供了广阔舞台，加速了封建制度的瓦解和资本主义的发展。商业的发达，使意大利的威尼斯等地成为繁华的海上贸易中心，继尔佛罗仑萨成为重要的商业和文化中心。 文艺复兴 中国、印度和和阿拉伯等东方文化和科学技术在中世纪陆续传入欧洲后，对欧洲的社会发展和科学技术进步产生了巨大的推动作用。欧洲人从阿拉伯人那里重新发现了希腊文明。文艺复兴以复兴古典文化为口号，发掘、光大古希腊文化，树立起理性主义和人文主义大旗，反对神权和封建特权，提倡个性自由。它不只是一场复兴古典文化的运动，更是一场新时代的启蒙运动，导致了欧洲历史转折、思想解放、学术发达、巨人辈出，开创了人类历史长河中的一个光辉时代。 “这是一次人类从来没有经历过的最伟大的、进步的变革” ──恩格斯 “人是一个什么样的杰作呀！人的理性多么高贵！人的能力无穷无尽！人的洞察力多么宛若神明！” ──莎士比亚 拉斐尔的《雅典学院》表现了文艺复兴时代的人们对希腊理性精神的崇拜。 由勃拉芒特、拉斐尔和米开朗奇罗等大师参与设计的圣彼得大教堂以空前恢宏的气势和明快的巴洛克风格使中世纪那些哥特式教堂相形见拙。 文艺复兴增进了人对自然观察的兴趣，通过对自然的研究，科学研究开始走向重视实验的道路。 经验是永远不会错的，犯错误的只会是你的判断，把不是通过实验所产生的结果作为结果。──列奥纳多.达.芬奇（约1510年） 宗教改革 点燃宗教改革运动之火的是德国教士马丁.路德（1483－1546年），他的新教学说竭力摆脱教会的统治，主张在信仰领域个人的自由，表达了经过中世纪长期宗教精神束缚的人们心中那种追求自由、平等的理想。起源于中国的印刷技术这时在欧洲得到了光大，它得以使新的思想广泛传播，从而促进了宗教改革运动的发展。自我解放伴随着对自然的观察和研究更加客观和自由。

科学革命的突破 1543年在科学史上是极为重要的一年，哥白尼的《天体运行论》和维萨留斯的《人体的构造》同于此年出版。 在哥白尼所处的时代，托勒密的“地心说”在欧洲占统治地位。中世纪的教会把地心说加以神化，用它来作为证明上帝存在的依据。哥白尼认为托勒密由于没有区别现象和本质，将假象视为了真实。由于感觉不到地球的自转，以致只感觉到太阳每天从东方升起而在西方下落，这正象人们坐在大船上行驶时，往往感觉不到船在动，而只见到岸上的东西在往后移动一样。于是，哥白尼提出了日心说并发表了巨著《天体运行论》。他勇敢地提出了太阳是宇宙的中心，地球不是宇宙的中心，它只是围绕太阳运转的一颗普通行星。由于哥白尼受时代和阶级的局限，还不能完全摆脱旧的传统观念的影响。他沿袭了古希腊唯心学派关于圆形是最完美的形状的说法，认为行星绕太阳运行的轨道是圆形的而且是匀速运动的。可事实证明了行星绕太阳运行的轨道是椭圆形的，而且是不等速的。哥白尼学说的这些不完善之处，得到了布鲁诺和开普勒的发展和完善。哥白尼“太阳中心说”的诞生，使天文学从宗教神学的束缚下解放出来，自然科学从此获得新生，这在近代科学的发展史上具有划时代的意义。 在哥白尼的宇宙图景中，地球不再是宇宙的中心，从而使《圣经》赋予它的特殊身份完全丧失了──宇宙不因地球而存在，也就不再有什么天堂与地狱之分。由于布鲁诺不遗余力的大力宣传，哥白尼学说传遍了整个欧洲。天主教会深深知道这种科学对他们是莫大的威协，于是公元1619年罗马天主教会议决定将《天体运动论》列为禁书，不准宣传哥白尼的学说。 哥白尼革──分。由于布鲁诺不遗余力的大力宣传，哥白尼学说传遍了“哥白尼学说撼动人类意识之深，自古以来无一种创见、无一种发明可与伦比。当大地是球形被哥伦布证实以后不久，地球为宇宙主宰的尊号也被剥夺了。自古以来没有这样天翻地覆的把人类意识倒转过来的。如果地球不是宇宙的中心，无数古人相信的事物将成为一场空了。谁还相信伊甸的乐园、赞美诗的歌颂、宗教的故事呢！”──歌德

认识人体的结构 理论。哥白尼日心说推进了我们对太阳系的认识，而维萨留斯和哈维则推进了人类对自身的认识。 西方医学中的一个特点是对于外科的研究并注意以解剖学为基础。文艺复兴以来，一批艺术家，医学家不仅从事动物解剖，而且从事解剖研究。达芬奇为了确定人体的正确比例和结构，亲自解剖尸体，画出了许多精细的解剖图。他曾研究过心脏的肌肉并画出心脏瓣膜图，用水的循环来比喻血的运行，表述了血液循环的概念。 1543年，比利时医生维萨里发表了《人体的结构》。通过解剖，确定了男女的肋骨数目相等，并不像《圣经》上说的女人是用男人的一条肋骨创造的因而男人比女人少一条肋骨。他的结论动摇了天主教会的教条。宗教裁判所以盗尸和巫师罪判处他死刑。 维萨里纠正了古罗马医生盖仑的许多错误。他通过解剖实践证明人的心脏的隔很厚，由肌肉组成，血液不可能如同盖仑所说是通过中隔从右心室流入左心室。西班牙医生塞尔维亚于1553年提出了血液小循环理论。他也因其异端的神学观点被加尔文派新教处以死刑。在烧死前还活活烤了两个小时。英国医生哈维在1628年出版了《心血血循环运动论》，即提出了血液大循环理论。 经典力学的奠基 开普勒的空中立法 丹麦天文学家第谷·布拉赫（公元1546～1601年）所做的非常精密的天体观测。他的主要观测活动用都是在丹麦和瑞典间的一个小岛的观天堡天文台进行的，从公元1576年到1597年历时21年。在没有望远镜的年代，观测全凭肉眼。第谷的观测达到肉眼观测所能达到的最高水平。托勒密的观测精度是误差在10角分（天空一周为360度，1度分为60分或称60角分）左右，而第谷的观测精度提高了5倍，误差只有2角分。 德国天文学家开普勒（公元1571～1630年）根据第谷遗留下来的大批资料，于公元1609年提出了行星运动的第一、第二定律，10年后又提出了行星运动的第三定律，而这第三定律正是牛顿推导万有引力定律的出发点。 1601年，第谷逝世。约翰·开普勒接替了第谷的工作，开始编制鲁道夫星表。但开普勒的兴趣和注意力却更多的放在改进和完善哥白尼的日心说上，在探讨行星轨道性质的研究上。他发现第谷的观测数据，与哥白尼体系、托勒密体系都不符合。他决心寻找这种不一致的原因和行星运行的真实轨道。 最初的研究从观测与理论差异突出的火星着手。他运用传统的匀速圆周运动加偏心圆来计算，均遭到失败。经过长达4年近70次各种行星轨道形状设计方案的计算，开普勒认识到哥白尼体系的匀速圆周运动和偏心圆的轨道模式与火星的实际运动轨道不符。于是他大胆的抛弃了统治人类思想达2000年之久的"匀速圆周运动"偏见，尝试用别的几何曲线来表示火星轨道的形状。他认为行星运动轨道的焦点应该在产生引力中心的太阳上，并进而断定火星运动的线速度不是匀速的，近太阳时快些，远太阳时慢些并得出结论：太阳至火星的直径在一天内扫过的面积是相等的。 开普勒把这结论推广到其他行星上，结果也是与观测数据相符。就这样，他首先得到了行星运行的等面积定律。随后他发现火星运行的轨道不是正圆，而是焦点位于太阳上的椭圆，他把这结论应用于其他行星也是适用的。于是他又得到了行星运行的椭圆轨道定律。这两条定律发表在他1609年出版的《新天文学》一书上。但他对自已取得的成就还不满足。他渴望找到一种能适合所有行星的总体模式，把各行星联系在一起。他坚信存在着一个把全体行星完整地联系在一起的简单法则。 在这个信念鼓舞下，开普勒忍受着个人在家庭方面遭受的巨大不幸，在很少有人了解和支持的困难条件下，经过九年的反复计算和假设，终于在1618年找到在大量观测数据后面隐匿的数的和谐性：行星公转周期的平方与它们到太阳的平均距离的立方成正比。这就是周期定律。1619年，他在《宇宙的和谐》一书中介绍了第三定律。不断地受力，否则就会停止运动。于是他想象从太阳出来的力线像从车轮的毂（车轮的中心部）伸出周围的辐条那样，当太阳自转的时候，这些力线就推动了行星。距离太阳愈远的行星，受到的力就愈弱， 开普勒的三定律是天文学的又一次革命，它彻底摧毁了托勒密繁杂的本轮宇宙体系，完善和简化了哥白尼的日心宇宙体系。开普勒对天文学最大的贡献在于他试图建立天体动力学，从物理基础上解释太阳系结构的动力学原因。虽然他提出有关太阳发出的磁力驱使行星作轨道运动的观点是错误的。但它对后人寻找出太阳系结构的奥秘具有重大的启发意义，为经典力学的建立、牛顿的万有定律的发现，都作出重要的提示。 伽利略的实验 意大利物理学家伽利略（公元1564～1642年）于公元1609年发明天文望远镜，从而揭开了天文观测的新纪元。 经历了“哥白尼革命”以后，科学摆脱了神学和经院哲学的束缚，实验和观察成为知识的源泉和检验真理的标准。伽利略通过一系列有关运动物体的实验，推翻了以亚里士多德为代表的传统运动观念，他用自己制造的望远镜来观察天体，观察到月球凹凸不平的表面，发现了环绕木星的四颗卫星等许多过去肉眼无法看到的天文现象，为哥白尼的日心说提供了有力的证据。他重视实验和数学工具的做法标志着近代科学的出现。

在伽利略之前，一切科学、哲学问题，全部包括在亚里士多德(前384～前322)的学说里。后者可是一位古圣人，他的思想被奉为金科玉律。当时，要是有学生提出一个问题，老师只消一句话：“这是亚里士多德说的”，问者便不敢再生怀疑。而伽利略却与众不同，凡事，不但喜欢多想一想，还要去试一试。因他的数学、物理方面自学的成就，伽利略被母校聘请回去任数学教授。他一登上大学讲台，可不是像其他人那样照宣亚里士多德的教条，而是大力提倡观察和实验。这在当时的学者看来，简直是一个不知天高地厚的疯子。1590年，25岁的伽利略，对亚里士多德的一个经典理论提出怀疑。亚氏说，如果把两件东西从空中扔下，必定是重的先落地，轻的后落地。伽利略却认为是同时落地。这自然没有人信他的，于是他决心搞一次实验，让人们亲自看看。 比萨城里有一座斜塔，拔地之后，却向一边斜去。这塔建于1174年，开始还是直的，但建到三层时开始偏斜，只好停工。过了94年后人们终不死心，又继续施工。最后共修了八层，高54.5米，重14200多吨。没想到这个偶然的施工错误，倒造成了世界上独一无二的名胜。说起意大利的斜塔，谁人不知，何人不晓。 一天，年轻的伽利略宣布要进行一次试验，一群教授大为不满，便一起到校长面前告他的状。校长转念一想，这样也好，让他当众出一次丑，也好杀杀他的傲气。这时，早有一群喜欢新奇的学生，将他们的老师伽利略拥到塔下。一会儿，伽利略便爬上斜塔七层的阳台。塔下已是人头攒动，比萨大学的校长、教授、学生，还有许多看热闹的市民，将斜塔围了个水泄不通。就在这时，也还是没有一个人相信伽利略会是对的。人们正在疑惑，只见伽利略将身子从阳台上探出，左右双手各拿一个铁球，一个比另一个要重十倍。当他两手同时撒开时，只见这两只球从空中落下，齐头并进，眨眼之间，“咣当”一声，同时落地。塔下的人，一下子都懵了。先是寂静了片刻，接着便嗡嗡地嚷作一团。这时，伽利略从塔上走