经典力学体系的建立

发展简史041027 1 科学发展简史辅导 第七章 经典力学体系的建立 经过许多科学家的努力，在天文学和力学方面已经积累了丰富的资料。在此基础上，牛顿实现了天上力学和地上力学的综合，形成了统一的力学体系。这是人类认识自然历史的第一次大飞跃和理论大综合。它开辟了一个新的时代，并对科学发展的进程以及后代科学家们的思维方式产生了极其深刻的影响。牛顿力学的建立是科学形态上的重要变革，标志着近代理论自然科学的诞生，并成为其他各门自然科学的典范。然而，在十七八世纪里其他自然科学仍处在积累资料的阶段。 第一节 经典力学体系化的知识基础 以研究机械运动为对象的力学，在17世纪下半叶建立了一个普遍的力学体系，绝不是偶然的，是由多方面的原因造成的结果。 欧洲经过16世纪百余年的宗教和政治改革的大变动之后，到17世纪下半叶进入了一个政治上较为安宁，经济上趋于繁荣的时期。生产实践为力学研究提出了许多问题，这就给科学的发展以推动力。 推动科学家们研究天体运动规律的另一个原因则是由于科学自身发展的要求。例哥白尼学说提出了许多悬而未决的问题。诸如行星运动的轨道形状问题，为什么行星要沿着一定的轨道绕日运行问题等等。这些问题的研究并不是出于某种实用的目的，但它对科学未来的发展却具有极重要的价值。正是这种研究为近代力学的体系化奠定了知识基础。 为牛顿力学的建立打下重要基础的有一系列的科学家，特别是伽利略与开普勒（1571～1630）对牛顿力学的建立有着非常重要的影响。 伽利略通过对自由落体的研究，已经发现了惯性运动和在重力作用下的匀加速运动，奠定了牛顿第一定律和第二定律的基本思想。伽利略关于抛物体运动定律的发现，对牛顿万有引力的学说也有深刻的启示作用。 天文学家开普勒所发现的行星运动定律则是牛顿万有引力学说产生的最重要前提。1609年，开普勒出版了他的《新天文学》一书，公布了太阳系行星运动的两条基本定律： 行星运动第一定律：行星的轨道为椭圆，太阳在椭圆的一个焦点上； 行星运动第二定律：在相等的时间内，行星和太阳的联线所扫过的面积相等，亦称面积定律。 在这之后，开普勒又发现了行星运动第三定律：太阳系中任何两颗行星公转周期的平方比等于它们轨道半径（半主轴长）的立方比，亦称周期定律。 行星运动三定律的发现，使整个太阳系的运动的图景以更加简单明了的形式被揭示出来。由于开普勒的发现，使太阳系成为一个严格按照确定发展简史041027 2

规律运行的力学系统。因此，西方人把开普勒称为“天空立法者”。

第二节 牛顿和他的力学体系 牛顿创造性的成果却无与伦比。他在剑桥时期，研究涉及光学、物理学中的许多领域。1671年，他制成了反射望远镜，1687年，他的代表作《自然哲学的数学原理》一书出版。 牛顿作为一个杰出的科学家不仅在力学上作出了重大贡献，还在许多领域里取得了划时代的成果。正如恩格斯所说：“牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分解而创立了科学的光学，由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科学的力学。” 牛顿对科学的杰出贡献是他建立了经典力学的体系，这集中地体现在他的著名著作《自然哲学的数学原理》一书中。1687年出版的这部著作共分三卷，第一卷分析了物体在向心力作用下的运动，第二卷分析了物体在阻力介质中的运动。在这两卷中，阐述了作为力学基础的时间、空间、质量、动量、力等基本概念，叙述了运动的基本定律，即牛顿力学三定律，解释了书中所使用的数学问题，并用演绎方法推演出万有引力定律。第三卷是关于宇宙的构造，这是用已发现的力学定律去解释哥白尼学说和天体运动的规律。 牛顿力学三定律构成了近代力学的基础，也是近代物理学的重要支柱。牛顿对于力学的最重要贡献则是万有引力的发现。 牛顿的力学三定律和万有引力定律把天体运动定律与地上物体运动定律统一起来，建立起了经典力学的理论大厦。牛顿把他的力学理论应用于太阳系，解决了天体力学中的一系列问题。他拿出了计算太阳质量和行星质量的方法，证明了地球是一个赤道凸出的扁球，解释了岁差现象，说明了潮汐的涨落，分析了慧星运动的轨迹和天体摄动现象等。 在18世纪及以后的一系列事实，证实了牛顿力学的真理性，从而得到了广泛的承认。 对证实牛顿万有引力定律有重要意义的事实，一是哈雷慧星的发现, 二是地球形状的证实,三是关于行星摄动现象的证实。此外，如关于引力常数G的测定等，也都证实了万有引力定律。1781年，英国天文学家赫舍尔（1738～1822）发现了天王星，首次发现了行星的摄动。1799年，法国著名科学家拉普拉斯（1749～1827）出版了《天体力学》一书，建立了行星运动的摄动理论和行星的形状的理论，进一步证实了万有引力定律的正确性。在这之后，人们运用万有引力定律对天王星摄动现象进行复杂的计算，预言了海王星的存在。1845年发现了海王星，这是对万有引力定律的有力证明。 发展简史041027 3

一批科学家以牛顿的学说为基础，创立了力学的新的分支。诸如弹性力学、流体力学、材料力学等等。到18世纪末，牛顿和牛顿力学已取得了巨大的威望，运动三定律和万有引力定律的地位已牢牢确立。 第三节 牛顿时代其他科学的发展 十七八世纪自然科学的主要成果是牛顿力学的形成。整个说来，其他各门自然科学尚处在积累资料并逐渐形成为独立学科的时期。 一、微积分的建立 牛顿和莱布尼兹（1646～1716）在继承前人数学研究成果的基础上，分别独立地完成了微积分的建立工作。 二、物理实验研究的新发现 在牛顿时代，人们对光、电、热等物理现象也开展了广泛的研究，并取得了一批科学成果。 1．光学的成果 伽利略曾提出光是按有限速度传播的。荷兰数学家斯涅耳（1591～1626）发现了光的折射定律，提出了折射率概念。丹麦天文学家雷默算出了光速。在近代科学发展的初期，人们就开始了对光的本质的研究，科学史上光的微粒说与波动说之争长达相当长时间。 牛顿是17世纪光学的集大成者。牛顿发现了光的色散现象，证明了不同光谱色的光可以合成为白色光。牛顿指出，一切自然物体的颜色只是由于它们对某一种光谱色的光反射得更多些。牛顿关于颜色的理论，是光学中的重要突破。牛顿设计并制造了反射式望远镜。牛顿对于光学的研究成果，集中地反映在1704年出版的《光学》一书中。 2． 物理现象的新发现 17世纪声学、热学和电磁学的实验研究并无多大进展。 18世纪，热学上的第一个重要进展是由于德国的华仑海特（1686～1736）和瑞典的摄尔西斯（1701～1744）建立了测定温度的标准，据此发明了华式和摄氏温度计，从而有可能把温度与热量区别开来。英国物理学家，化学家布莱克（1728～1799）在论证了温度与热量区别的基础上，进而提出了比热和潜热的概念。这些概念的形成是18世纪热学的主要成就。热学的研究在这时是同蒸汽力的应用分不开的。在对热的本质的认识上，布莱克等所倡导的热质说或热素说则仍占统治地位。 在电和磁学的实验研究方面，英国剑桥大学的米歇尔（1724～1793）在1750年发现了两个磁极之间的作用力与磁极间距离的平方成反比。 电学方面在18世纪的进展，首先是因为有了静电起电机和莱顿瓶的发明。荷兰莱顿大学的森布罗克（1692～1761）和德国的克莱斯特（1700～1748）分别发明了能贮存静电电能的电容器，即莱顿瓶。静电起电机与莱顿瓶的发明为静电研究提供了实验工具。美国的富兰克林（1706～1790）发展简史041027 4

对闪电的本性作了开拓性的勇敢的探索，证实了地上的静电与天上的雷电本质上相同，由此发明了避雷针。1785年，法国军事工程师通过实验测定，建立了静电荷之间相互作用的数量关系式，即库仑定律。 3．近代化学的初期成果。 15世纪以后，作为化学原始形式的炼金术已经衰落，代之而起的则是医药化学。17世纪的医药化学家们发现了一些新的化学属性、化学反应和化学药品。17世纪真正把化学确立为一门科学的是著名的英国科学家波义耳（1627～1691）。他发现了气体方面的波义耳定律。波义耳根据大量的实验论证了化学元素的概念，把元素同化合物，混合物区别开来，使化学从炼金术中脱离开来。他在其主要著作《怀疑的化学家》一书中给元素下了比较清楚的定义。波义耳把严格的实验方法引入了化学，确立了化学的独立性，成了近代化学的奠基者。 化学在十七八世纪的重要成果是法国科学家拉瓦锡建立了氧化燃烧理论。 1774年，英国化学家普列斯特利（1733～1804）通过实验得到一种能够帮助可燃物质燃烧的气体。拉瓦锡把这种新发现的气体命名为氧，并提出了新的燃烧学说，这就彻底地推翻了燃素说。对燃烧现象的深入研究，不仅得到了氧，还导致了18世纪对碳酸气、氢气、氯气，氮气等的发现。18世纪的化学家们还改进了化学分析方法，发展了吹管分析，湿法分析等分析方法。这一切为19世纪原子分子学说的提出，为化学工业的成长，奠定了科学技术基础。 4．显微镜的发明与生物学的成果。1661年，意大利解剖学家发现了蛙肺的动脉末端与静脉末端是通过毛细血管相连的，证实了血液的肺循环过程。这一发现是靠显微镜实际观察的结果。显微镜是推动生理学、生物学前进的重要观察仪器。经荷兰人列文霍克（1632～1723）的改进，使显微镜放大倍数已达270倍，这就为观察生物的微结构和微小的生物提供了有力的工具。胡克在1665年用自制的显微镜观察软木组织，发现了细胞。马尔比基（1628～1694）等人在植物中观察到了细胞组织，列文霍克又在显微镜下发现了血液中的血细胞，从而揭开了细胞学研究的序幕。1675年，列文霍克在污水中发现了大量的极小的动物一一一微生物，这就使生物学的研究进入了一个新的领域，即微生物世界。 自古以来，在对于生物物种的由来的看法上，有所谓的自然发生说。第一个对自然发生说提出疑义的是意大利的雷迪（1626～1676），直到19世纪，才由巴士德（1822～1895）的著名实验，彻底否定了自然发生说。 在十七八世纪中，关于物种由来的问题曾发生过预成说与渐成说的争论。预成说主张，组成生物驱体的各种器官，不是新生成的，而是在卵里就已经形成了，后来只不过是它的扩展而已。渐成说认为，各种器官是由