近代自然科学概论

第一章、近代自然科学早期发展重大事件（16世纪中期——18世纪中期）简述：早期近代自然科学发展以哥白尼天文学革命兴起为起点，终点是牛顿和林奈在自然观上相继向神创论的回归。

主要科学标志是机械自然观的建立。

一、在天文学方面，日心体系的确立与天体力学的奠基代表了早期天文学的主要成就。

1.哥白尼创立日心说——第一次科学革命。

历史背景：天文学是一门最古老的科学。

在西方，通过毕达哥拉斯、柏拉图、喜帕恰斯、托勒密等人的研究，已经提出了几种不同的理论体系，成为一门最具理论色彩，又是提出理论模型最多的一门学科。

同时，天文学与人们的生产和生活密切相关，人们种田靠天、畜牧靠天、航海靠天、观测时间也靠天，这就必然会有力推动天文学的发展。

然而，天文学在当时又是一门十分敏感的学科。

在天文学领域，两种宇宙观，新旧思想的斗争十分激烈。

特别是到了中世纪后期，天主教会还别有用心地为托勒密的地心说披上了一层神秘的面纱。

硬说地球处于宇宙中心，证明了上帝的智慧，上帝把人派到地上来统治万物，就一定让人类的住所--地球处于宇宙中心。

这种荒唐说法被当作权威加以崇信之后，托勒密的学说就成为不可怀疑的结果而严重阻碍着天文科学的进步。

日心说创立过程：地心说基础上产生的儒略历在325年被确定为基督教的历法后，它的微小误差经过长时间的积累已经到了不可忽视的地步，同观测资料大相径庭。

托勒密体系的错误日益暴露，人们急需建立新的理论体系。

当时，文艺复兴正蓬勃开展，它不仅大大解放了人们的思想，同时也推动了近代自然科学的产生。

波兰天文学家哥白尼适应时代要求，他从1506年开始，在弗洛恩堡一所教堂的阁楼上对天象仔细观察了30年，从而创立了一种天文学的新理论--日心说。

1543年，哥白尼公开发表《．天体运行论．．．．．》．，这是近代自然科学诞生的主要标志。

历史意义和对人类的影响：日心说的提出恢复了地球普通行星的本来面貌，猛烈地震撼了科学界和思想界，动摇了封建神学的理论基础，是天文学发展史上一个重要的里程碑。

哥白尼的“日心说”沉重地打击了教会的宇宙观，这是唯物主义和唯心主义斗争的伟大胜利。

因此使天文学从宗教神学的束缚下解放出来，自然科学从此获得了新生，这在近代科学的发展上具有划时代的意义。

2.开普勒提出行星运动定律。

历史背景：开普勒是继哥白尼之后第一个站出来捍卫太阳中心说、并在天文学方面有突破性成就的人物，被后世的科学史家称为“天上的立法者”。

1596年出版《宇宙的神秘》一书受到第谷的赏识，应邀到布拉格附近的天文台做研究工作。

1600年，到布拉格成为第谷的助手。

次年第谷去世，开普勒成为第谷事业的继承人。

行星运动定律创立过程：开普勒利用第谷浩如烟海的数据，做了25年的计算，发现的开普勒三定律．．．．．．是：1、所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆,太阳处在椭圆的一个焦点上。

2、对于任何一个行星来说,它与太阳的连线在相等的时间扫过相等的面积。

3、所有的行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等。

历史意义和对人类的影响：远在哥白尼创立日心宇宙体系之前，许多学者对于天动地静的观念就提出过不同见解。

但对天体遵循完美的均匀圆周运动这一观念，从未有人敢怀疑。

开普勒却毅然否定了它。

这是个非常大胆的创见。

开普勒定律在科学思想上表现出无比勇敢的创造精神。

开普勒定律彻底摧毁了托勒密的本轮系，把哥白尼体系从本轮的桎梏下解放出来，为它带来充分的完整和严谨。

开普勒定律使人们对行星运动的认识得到明晰概念。

二、在物理学方面，以牛顿为代表的经典力学体系在早期近代科学发展时期已经形成，并向天文学和其它基础学科领域渗透。

3.牛顿发现万有引力定律。

（万有引力定律同时为天文学和物理学作出巨大贡献）万有引力定律的发现：牛顿在前人（开普勒、胡克、雷恩、哈雷）研究的基础上，凭借他超凡的数学能力证明，在1687年于《自然哲学的．．．．》．上发．．．．．．数学原理表的。

牛顿的普适万有引力定律表示如下：任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引。

该引力的大小与它们的质量乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两物体的化学本质或物理状态以及中介物质无关。

万有引力定律是解释物体之间的相互作用的引力的定律。

是物体（质点）间由于它们的引力质量而引起的相互吸引力所遵循的规律。

历史意义和对人类影响：万有引力定律的发现，是17世纪自然科学最伟大的成果之一。

它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来，对以后物理学和天文学的发展具有深远的影响。

它第一次解释了（自然界中四种相互作用之一）一种基本相互作用的规律，在人类认识自然的历史上树立了一座里程碑。

万有引力定律揭示了天体运动的规律，在天文学上和宇宙航行计算方面有着广泛的应用。

它为实际的天文观测提供了一套计算方法，可以只凭少数观测资料，就能算出长周期运行的天体运动轨道，科学史上哈雷彗星、海王星、冥王星的发现，都是应用万有引力定律取得重大成就的例子。

利用万有引力公式，开普勒第三定律等还可以计算太阳、地球等无法直接测量的天体的质量。

牛顿还解释了月亮和太阳的万有引力引起的潮汐现象。

他依据万有引力定律和其他力学定律，对地球两极呈扁平形状的原因和地轴复杂的运动，也成功的做了说明。

推翻了古人类认为的神之引力。

4.经典力学体系的建立历史背景：和万有引力定律的发现一样，经典力学体系的建立同样也是在前人的基础之上：如，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。

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规律运行的力学系统。

这也为牛顿力学体系建立打下坚实基础。

经典力学体系的建立：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。

历史意义和对人类影响：《自然哲学的数学原理》，它以三大运动定律和万有引力定律为基础，建立了完美的力学理论体系。

科学内容及由此引发的科学形态的变化，改变了人们对科学的基本看法，使人们建立了一种新观念。

改变旧技术，寻求新方法，科学在改变技术中的作用被人们越发认识。

科学可以改善生活，知识为人类服务可以使人类生活得更幸福被更多的人接受。

多数学者相信科学有益于人类的进步，相信人类能够得到充分的自然知识，相信自然界可以被人正确认识。

三、在地质学方面，以1669年提出的地质学三定律．．．．．．为发端，以莫诺和伍德沃德为代表的第一次“水火之争．．．．”为动力，以地质考察为实验基础，在18世纪初具规模，此时期为地质学奠基时期。

5.早期地质学。

初期奠基过程：以文艺复兴为转机，人们对地球历史开始有了科学的解释。

意大利的达·芬奇、丹麦的斯泰诺、英国的伍德沃德、胡克等等，都对化石的成因作了论证。

胡克．．还提出用化石来记述地球历史；斯泰诺提出地层层序律；在岩石学、矿物学方面，李时珍在《本草纲目》中记载了200多种矿物、岩石和化石；德国的阿格里科拉对矿物、矿脉生成过程和水在成矿过程中的作用的研究，开创了矿物学、矿床学的先河等等。

四、在生物学方面，林奈的生物分类学代表了早期生物学主要成就。

6.林奈建立人为分类体系和双名制命名法。

“双命名法”创立过程：1741年，林奈担任植物学教授，潜心研究动植物分类学，在此后的20余年里，共发表了180多种科学论著，特别是1753年发表的《植物种志．．．．》一书，是他历时七年的年的心血结晶，在这部著作中共收集了5938年植物，用他新创立的“双名命名法”对植物进行统一命名。

历史意义和对人类的影响：他把前人的全部动植物知识系统化，摒弃了人为的按时间顺序的分类法，选择了自然分类方法。

他创造性地提出双名命名法，包括了8800多个种，可以说达到了“无所不包”的程度，被人们成为万有分类法。

致力于对植物的分类，他写了《自然系统．．．．》一书，使杂乱无章的关于植物方面的知识形成了完整的系统。

五、在化学方面，波义尔的元素定义、贝歇尔和施塔尔的燃素假说代表了早期化学发展的两个主要阶段。

7.燃素化学时期。

燃素说的发展历程：18世纪，新的化学概念和燃素学说双方支持者展开激烈辩论。

1703年，德国哈雷大学的医学与化学教授格奥尔格·恩斯特·斯塔尔把普利斯特里．．．．．的“ 油土”重新命名为“燃素”，并把这个理论发展成更广泛的理论体系，用以说明氧化、呼吸、燃烧、分解等很多化学现象。

金属是灰碴与燃素的化合物，加热释放了燃素而剩下灰碴。

总的说来，燃素为一切可燃物体的根本要素，油、脂、木、炭及其他燃料含有特别多的燃素。

当这些物体燃烧时，燃素便释出，或则进入大气中，或则进入一个可以与它化合的物质中如灰碴，从而形成金属。

到1740年，燃素理论在法国被普遍接受；十年以后，这种观点成为化学的公认理论。

历史意义和对人类的影响：燃素说对燃烧现象正好做了颠倒的解释，把化合过程描述成了分解过程，但却使当时的大多数化学现象得到了统一的解释，帮助人们摆脱、结束炼金术思想的统治，使化学得到解放，在历史上起到了积极作用。

尽管燃素说本身是错误的，但它却引导和启发人们去思考、探索，并不断地实践、验证、修正假说或是得到新的发现。

也正是在这种不断的过程中积累起来的大量的科学实验材料，为科学的燃烧理论的创立准备了条件。

六、终点8.神创论上的回归原因：科学的发展不是凭空进行，而是必须以已有的科学成果为发展的起点。

当时已有的天文学数学知识为力学的发展创造了前提，而力学发展较完善的状况又促成了哲学史上机械自然观的形成。

从人的认识规律来看，人类对客观事物的认识总是从认识简单事物进而深化认识复杂事物的，认识机械运动是科学认识的第一任务。

在科学认识第一阶段，暂时把事物看成彼此无关的固定不变的东西进行研究是可以理解的，一旦科学家们把一切高级复杂运动都简单类比为机械运动，并且把力学中的外力照搬过来，就变成了否认事物内部矛盾的机械外因论。

他们认为，自然界绝对不变，自然界只是在空间上扩张，展现其多样性，而在时间上没有变化，没有发展的历史。

不变的行星一定始终不变地绕着不变的太阳运行，由于它不承认物质的发展，不能回答自然界的一切从何而来，最后只能搬用神的创造力来解释，自然科学又回到了神学之中。