09-10(一)电子07级自然科学史(7).ppt

第7讲十九世纪的自然科学 第二次技术革命 一、19世纪的科学技术1、天文学19世纪的天文学有很大进步继牛顿发现万有引力定律之后，许多天文新发现进一步证实了这一定律的普遍意义19世纪人们在研究天体现状的基础上，提出了有关天体起源和演化问题的颇有价值的科学假说1)、天文观测的新发现德国天文学家赫歇耳(1738-1822)，根据对银河系恒星密度的观察，提出银河系是由一层恒星组成的，像一只边缘有裂缝的圆凸透镜，其直径约为厚度的5倍，太阳系位于银河系的中央平面，在离银河系中心不远的位置上他还比较了太阳和其他恒星相对于银河系中心的位置变化，发现恒星并非不动，太阳也有自行赫歇耳还发现了双星和聚星， 并编制了包括260对双星的星表依据赫歇耳对双星的研究，1844年德国天文学家贝塞耳(1784-1846)预言在天狼星豆和南河三星附近 各自都有一颗肉眼看不见的暗伴星存在， 1862年,美国科学家克拉克(1832-1897)果然发现了天狼星确有一颗暗伴星赫歇耳于1781年 在金牛星的群星中发现有一颗前所未知的新星，它位于当时太阳系的疆界一一土星之外后经英国天文学家麦斯克雷(1732-1811)的观 察，确认它是太阳系中的一个新成员一一天王星。

后又发现海王星海王星的发现是近代天文学史上证实万有引力定律正确性的最著 名的事例之一此外天文学家在这一时期还发现了小行星、光行差和恒星视差等2）康德关于太阳系起源的力学模型德国哲学家康德(1724-1804)于1755年出版了著名的《宇宙发展史概论》一书书中批判了宇宙不变的思想，提出了太阳系起源于原始星云的假说，他认为形成太阳系的原始星云是由大大小小的粒子组成的，这些粒子不均匀地布在空间中，由于粒子间相互吸引，较小的粒子向较大的粒子聚集，在引力最强的 地方逐渐凝聚成中心天体他还认为:粒子之间除相互吸引作用之外，还有一种相互排斥作用，它表现为粒子彼此碰撞，并沿不同方向向中心天体落去最后,当 某一方向上的运动占了优势时，就会使原始星云转动起来并且在中心天体周围形成了大致在同一平面上转动的大大小小的粒子团这些粒子团后来就成为围绕 中心天体旋转的行星这些行星按照它们距离太阳远近的不同而有不同的轨道，离中心天体越远，轨道的椭率越大这就是康德提出的关于太阳系起源的力学模 型3）拉普拉斯的星云假说法国数学家拉普拉斯1796年在不知道康德星云假说的情况下，完全独立地提出了他的星云假说，并且还从数学上作了严格的论证。

他认为，我们的太阳系起源于一个巨大的炽热的而且在缓慢转动着的原始星云由于逐渐地冷却，星云在不断地收缩，转动自然加快星云赤道部分的 物质所受的惯性离心力随之加大，当这一作用力与星云物质间的引力处于平衡时，赤道最外缘的物质将不再随星云一起收缩，而从星云中分离出来，形成一个围 绕星云转动的气环，当这同一个过程一次又一次地重复时，便相继形成了与行星数目相等的几个气环气环中的物质是不均匀的，较密的部分把附近的物质吸引 过去，使气环断裂并逐渐形成了行星不断收缩的星云的中心部分就凝聚成太阳这就是拉普拉斯提出的星云假说由比较可知，,拉普拉斯的这一学说基本上与 康德的学说是一致的但是,它在细节上更多地考虑了太阳系的动力学特征它比康德的学说更合理更自然地说明了太阳系中天体的运动为什么都按同一个方向旋 转，为什么行星的轨道都大致在同一个平面上等等他们二人都认为太阳系是由同一块星云形成的，并都用星云内部的吸引和排斥之间的矛盾来说明太阳系的形 成所以,后人把他们提出的两种星云假说合在一起统称为“康德一拉普拉斯星云说“,它比较完整圆满地解释了天体运动的一些规律2、地学19世纪开始形成为一门独立的科学1833年出版的赖尔的《地质学原理》一书,标志着近代地质学的诞生。

1）、关于岩石成因的争论历史上曾有过两种不同的学说水成论英国科学家伍德沃德(1665-1728)认为地球上的岩石是由水的作用形成的，这个观点被称为“水成论”1695年他在《地球自然历史试探》一文中，认为地球曾经有过一个历史时期被巨大的洪 水淹没了，当时大部分生物死亡并且洪水还冲走了地表的砂石和土壤，使悬浮在洪水中的 各种物质混杂起来，当这些物质按照重量的大小分层沉淀时最重的物质沉积在下面，最上 面是沙、泥土和高等动植物的遗骸，经过多年的沉积，这些动植物的遗骸，变成了化石火成论意大利科学家莫罗(1687-1764)在1740年发表的《论在山里发现的海洋生物》一文中提出了“火成论”他认为，原始的地球有一个光滑的、石质的表面被不深的淡水所覆盖由于地下火的作用，破坏了地球的表面，使陆地和山脉隆起而 升出水面同时包含在地球内部的物质如粘土、泥沙、沥青和盐等都被排放出来，在石质的地表面上形成了新的地层地下火的这种 爆发作用一再重复就形成了更多的地层由于每次爆发的喷出物不能立即盖满全球，所以在多次爆发后,埋葬在各地层中的物质就有差 别化石是埋藏在新形成的地层中的动植物遗骸，它由于陆地的隆起而出现在高山上。

喷发出来的盐进入淡水就形成了苦涩的海水关于岩石成因的这两种学说长期争论不休英国科学家赫顿 (1726-1797)被学术界认为是火成论的集大成者赫顿认为地球的历史必须用可以观察到的那些因素来解释，不应该借助任何超自然的力量他的这一见解为近代地质学的研究指明了方向，他因此被誉为“近代地质学之父”19世纪初，水成论大师维尔纳在学术界的巨大影响， 使水成论暂时占了优势2）关于地壳运动变化的学说18世纪以来，在产业革命的推动下，采煤、采矿、运河和隧道工程等推动了地质学的建立和大发展在地壳运动变化的方式上，长期存在着 “灾变论”和 “渐变论” 的争论灾变论“灾变论”的代表是法国的动物学家、解剖学家和古生物学家居维叶(1769一1832)居维叶提出了灾变论他认为地球历史上曾多次出现过局部的灾变，如洪水、地震等等这种变化使当地的生物灭绝，从远处迁移过来的生物代替了原有的生物，在多次灾变中被埋藏在同一地层中的化石在种属上就会有明显的差别他认为，在地质形成过程中一直都在起作用的那些力量在形成、毁坏、再形成地壳的那些岩层方面起了关键作 用渐变论英国地质学家赖尔(1797-1875) 认为地球的历史在时间上是连续的,现状是以前变迁的结果。

阐明了地壳 的演化过程推翻了上帝创造世界的谬论以地球的渐进 理论，代替了造物主的一时兴发所引起的突变3、物理学（1）能量守恒与转化定律的发现能量守恒与转化定律誉为19世纪中页自然科学的 三大发现之一它的发现是多个国家的十几位科学家，分别从不同 的专业领域各自独立地提出来的早在1644年，笛卡儿在《哲学原理》一书中就 提出了运动不灭原理1798年美国物理学家伦福特(1753-1814) 发现 钻头的机械运动能使冷却水沸腾，这说明热能来源 于 钻头的运动法国工程师卡诺在研究各种蒸汽机效率的长期实践中认识到：热是一种物理运动形式，热和机械能(功) 之间可以相互转化1878年人们发现了他的一本日记，其中记载了这样的见解：热不过是动力，或者更确切地说，不过是改变了形式的运动，在自然界中动力在量上是不变的，准确地说，他是不生不灭的 1840年英国物理学家焦耳(1818-1889)发现电流 热效应的焦耳定律1840年德国医心迈尔(1814-1878) 发现生物体内 能的输入和输出是平衡的食物中所含的化学能和机 械能一样，可以转化为热能，迈尔是第一个发表能量守恒和转化定律的人1842年，英国律师格罗夫(1811-1896)提出：一切能量包括机械能、热、光、电、磁甚至化学能在一定 条 件下都可以相互转化，而不发生损耗。

他的论述发表于1846年以《物理力之间的相互关系》讲稿中，这是论述能量守恒定律的最早的著作，能量守恒与转化定律又叫热力学第一定律，它的数学形式为：Q＝(E2-E1)+A E2-E1表示系统内能的变 化A表示功热力学第一定律也表述为“第一类永动机”不可制造热力学第二定律1851年，英国物理学家开尔文指出：不可能从单一 热源吸收热量，使之完全变为有用功热机必须工作于两个 之间，热从高温热源转移到低温热源时才能作功)定律的表述：热机不可能把从高温热源中吸收的热量全部转化 为有用功 ，而总要把一部分热量传给低温热源 热力学第二定律也称为第二类永动机不可能制造原 理 历史上曾有人企图制造出一种热机，这种热机不需要两个热源——高温和低温热源而只要 使我们周围的海洋，大气冷却下去，热机便可作功，这种热机称为第二类永动机热力学第二定律 告诉我们，这纯粹是一种空想熵” 1865年，克劳修斯引用了一个更深刻的概念“熵 ”来反映热力学第二定律，他将系统不能做功的随机或 无 序状态定义为熵，因此热力学第二定律也可表示为：在孤立系统内，实际发生的过程总使整个系统的熵 的 数值增大这样，热力学第二定律又称之为“熵增原理”.熵越小，表示系统越不平衡，越不稳定，越有 序，可转化的能量越大。

熵越大，表示系统越平衡，越稳定，越无序， 能量退化越多热力学第二定律的表述有几种，无论哪种表述意义是相同的其本质都是一样的，它揭示了客观世界中的一个重要规律，即：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的 ，并且还向人们指出了宏观过程进行的条件和方向热寂说”热力学第二定律发现后，克劳修斯等人把这一 定律无条件的推广的整个宇宙，提出了所谓的“热寂 说”在1867年的一次演讲中他说“宇宙越是接近其熵 为最大值的状态，它继续发生变化的可能性就越小 当 它完全达到这个状态时就不会再出现进一步的变化了, 宇宙将永远处于一种隋性的死寂状态”物理学的第二次大综合热力学第一定律和第二定律的发现，奠定了经 典 热力学的理论基础特别是找到了自然界各种运动形 式之间相互转化的基本关系，实现了物理学史上的第 二次大综合2）电磁学的发展电池的发明意大利物理学家伏特(1745-1827)伏特根据以上 发 现制成了用锌板和铜板作为两极的伏特电堆这是最早能提供稳定直流电的电池，这一发明为电学的实验和发展提供了最主要的工具由于这一发明，伏特的名字成为电势(电压)的基本单位，由于有了可供使用的稳定的电流电源 ， 对电流的研究也就展开的，从而进一步推动了整个电磁学的发展。

电流磁现象的发现1820年，丹麦物理学教授奥斯特(1777-1851) 发 现了通过稳恒电流的导线附近的磁针发生偏转的现象 ，这个发现将电与磁联系起来了，由此带来了电学发 展史上飞跃奥斯特的发现是重大的，它揭示了两个 自然界的秘密第一 ；自然界存在能引起偏转的作用力，这就是电流对磁的作用它不是沿直线的，而引力、和静 电力的作用却是在直线上发生的第二；人们开始认识宇宙的第二种相互作用— — “电磁相互作用”安培对电磁学的贡献1823年,法国物理学家安培(1775-1836)以极大的 兴趣重复了奥斯特的实验几个星期后他发现电流不仅会对磁针发生作用 两 根通电导体也会发生作用他当它有同向电流时相吸 ，反向电流时相斥安培对磁的本质进行了研究，并提出了分子电流的 假说，认为一切磁现象都起源于电流或电荷的运动， 运动电荷周围存在一种特殊的物质称为 “磁场”而且安培完整地发现了电流使磁体发生偏斜的方向法则，——安培法则(右手螺旋法则 )并且给出了这一法则完美的数学形式,安培环路定律：安培为电动力学的创立做出了开创性的贡献 ， 为纪念他以安培的名字做为电流的单位法拉第与电动力学的诞生在奥斯特发现了电流产生磁的现象之后，很多人 开始找它的“逆”效应，即磁能否产生电。

英国著名 物理学家法拉第(1779-1867)成功地通过实验发现了 这 种逆效应1831年法拉第发现： “电磁感应” 现象，并得出 了著名的电磁感应定律法拉第定律的发现，为发电机的制造奠定了理论基础定律的表述：如有一闭合回路，当通过这回路所包围的面积的磁通量发生变化时，回路中就变产 生 电流，这种电流称为感应电流数学表达式：ε。