牛顿时代、18世纪.ppt

第二章 牛顿时代和18世纪的科学第一节第一节 牛顿的科学成就牛顿的科学成就牛顿的科学成就爱萨克·牛顿（1642 -1727）是英国杰出的物理学家他发现了力学三定律 和万有引力定律，是微积分 的创立者之一，并研究过光 学、天文学、化学，在多种 科学里取得过重要成就牛顿--在几何光学和物理光学方面牛顿是一个光学实验家牛顿所进行的第一个著名光学实验是三棱镜 实验，即光的色散实验牛顿--在几何光学和物理光学方面第二个著名的光 学实验是“牛顿环”实验牛顿发现，在透 镜的曲面与平板玻璃的 接触点上，形成了一个 很大的暗点，而暗点周 围则出现了以暗点为中 心的明暗相间的彩色同 心圆牛顿--在几何光学和物理光学方面在几何光学中，牛顿通过对几何光学的性质研究 ，发现有可能研制出一种反 射型望远镜于1668年、1671年分别研制出了二台反射型望远 镜牛顿--微积分的创立他创立微积分的方法用的是所谓“流数法”，著有《流数术》一书他从力学的运动观念出发，把两个变量称为“流”， 而把两个变量的变化率称为“流数”同时指出：微分的基本问题，仍是由已知的两个流之间的关系，求它们的流数之间 的关系，而积分不过是微分的逆运算。

运用微分和积分可以 解决求极大与极小值的问题，求曲线一点切线的问题，求曲 边图形的面积问题等 莱布尼兹---创立微积分莱布尼兹（1646-1716）德国数学家差不多和牛顿同时独立 地创造了微积分莱布尼兹发明微积分的起点是求曲线的切线的作法及其计算问 题在研究过程中，创立的这种新 方法——纵坐标差分法莱布尼兹所创立的这种新方法的基本特点， 仍是把曲线及其切线置于笛卡儿坐 标系中，求切线问题即可相应地转 变成求横坐标与纵坐标变化率之差 贝克莱英国大主教 1734年，贝克莱以“渺小的哲 学家”之名出版了一本标题很长的书《分析学家；或一篇致一位不 信神数学家的论文，其中审查一 下近代分析学的对象、原则及论 断是不是比宗教的神秘、信仰的 要点有更清晰的表达，或更明显 的推理》 贝克莱悖论 比如说x2的导数，先将 x 取一个不为0的增 量Δx，由(x+Δx)2-x2，得到2xΔx+(Δx2)，后再被 Δx除，得到2x+Δx，最后突然令Δx=0，求得导数 为2x数学史上把贝克莱的问题称之为“贝克莱悖论” 笼统地说，贝克莱悖论可以表述为“无穷小量究 竟是否为0”的问题：就无穷小量在当时实际应用 而言，它必须既是0，又不是0。

牛顿---绝对空时观•牛顿力学满足伽利略相对性原理，在惯性系之间的 伽利略变换下不变为了解决惯性运动的起源，也为了 建立体系的需要，牛顿引进了绝对空间和绝对时间的概 念 •“绝对空间”是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的•“绝对时间”真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而均匀地、与任何其它外界事物无关地流 逝着 牛顿---对力学的大综合•牛顿对力学的大综合主要表现在发现万有引力定律和 力学三定律•1、万有引力定律：两个物体之间，由于它们具有质 量，因而就产生一种相互吸引力，这就叫“万有引力”地面上的物体因受到地球的万有引力作用而有重力，地球和 其他行星之所以绕日运动也与万有引力有关同样，月球 绕地球运动，其向心力也是由万有引力提供的 F=Gm1m2/r2 其中m1m2两个质点的质量，r为两个质点之 间的距离，G为引力常数G这个常数直到1798年，由英国著名物理学家和化学家卡文迪，运用他的精巧的扭秤实 验，测出这一常数的精确值为6.67×10-8cm2/gs2牛顿---对力学的大综合•2、经典力学的建立•牛顿在发现万有引力定律的过程中，同时发现了著名的牛顿力 学三定律•第一定律：亦称惯性定律，在不受外力作用霞，任何物体都保 持原有的静止或匀速直线运动状态。

•第二定律：物体在外力作用下产生加速度，加速度的大下与所 受外力成正比，与物体质量成反比，加速度的方向与外力的方向相 同F=ma•第三定律：当体甲给乙一个作用力时，物体乙必然同时给物体 甲一个反作用力，作用力与反作用力大小相等，方向相反，作用在 同一条直线上牛顿---《自然哲学的数学原理》牛顿的经典力学成果，集中 地反映在他的《自然哲学的数学 原理》这以巨著中《原理》写 于1684年底致1687年4月，全书共分三卷牛顿在这一著作中所 讨论的自然现象的普遍性，以及 他所运用的数学方法的严谨性， 使这一著作无愧为经典力学的奠 基之作，也无愧为近代科学的奠 基之作经典力学的科学意义及其影响1、把天上的和地上的运动统一起来，证明万有引力定律和运动三定律是宇宙间一切机械运动的普遍规律，从力学的角度证明了 自然界的统一性，实现了对自然界的一次伟大综合2、依据运动三定律的联合作用，可以从物体在某一给定时刻的运动状态推知它们在此以前或以后的任何时刻的运动状态这样 经典力学把原来只能孤立地研究的力学事件联系起来，使它们成为 因果链条，整个世界也像一架机器一样有秩序的按照力学规律运动 着3、经典力学把人们对机械运动的研究从运动力学提高到动力学水平。

运动力学只考虑物体运动的速度、加速度、时间距离等因 素及其关系，只能描述物体运动的过程和状态动力学的任务在于 揭示物体运动的力学原因及其力学后果从而使人们能够全面把握 机械运动的规律牛顿的哲学思想牛顿在科学上的巨大成就连同他的朴素的唯物主义哲 学观点和一套初具规模的物理学方法论体系，给物理学 及整个自然科学的发展，给18世纪的工业革命、社会经济变革及机械唯物论思潮的发展以巨大影响牛顿的哲学观点与他在力学上的奠基性成就是分不开 的，一切自然现象他都力图用力学观点加以解释，这就 形成了牛顿哲学上的自发的唯物主义，同时也导致了机 械论的盛行 事实上，牛顿把一切化学、热、电等现象都看作“与 吸引或排斥力有关的事物”牛顿的科学方法（1）实验——理论——应用的方法科学史家I.B.Cohen正确地指出，牛顿“主要是将实际世界与其简化数学 表示反复加以比较”牛顿是从事实验和归纳实际材料的巨匠，也是将其理论应用于天体、流体、引力等实际问题的能手 （2）分析——综合方法分析是从整体到部分（如微分、原子观点），综合是从部分到整体（如 积分，也包括天与地的综合、三条运动定律的建立等） （3）归纳——演绎方法 牛顿从观察和实验出发。

用归纳法去从中作出普通的结论”，即得到概念和规律，然后用演绎法推演出种种结论，再通过实验加以检验、解释和预 测，这些预言的大部分都在后来得到证实4）物理——数学方法牛顿将物理学范围中的概念和定律都“尽量用数学演出”牛顿经典力学体系的局限性他把时间、空间看作是同运动着的物质相脱 离的东西，提出了所谓绝对时间和绝对空间的 概念；在探索太阳系运动起源问题上，由于牛 顿缺乏历史的、辨证的观点因而从太阳系运动 的初始条件中得出了必须要有上帝第一推力的 结论导致这种结果是牛顿在哲学上的局限性 和不彻底性的表现同时，利用牛顿力学原理 对力学现象的解释导致了指导物理学发展甚至 影响整个自然科学达数百年之久的机械自然观 第二节牛顿时代和18世纪的物理学一、对热的研究在度量温度方面，形成了世界通用的华氏温标、摄氏温标和应 用不太广泛的勒氏温标1、华氏温标是以德国人华伦海特（1686-1736）命名的他 在1714年制成了一个水银温度计，把水的沸点作为2120，冰、纯水 和食盐三者的混合温度为零度，将其间分成212个分度，这样纯水 的冰点就成了320符号记为0F2、摄氏温标以瑞典人摄尔修斯（1701-1744）得名。

1742年 ，他把水的冰点和沸点之间分成100分，沸点作为零度，冰点作为 100度，后来，在1750年，施勒墨尔又把这种划分颠倒过来，出现 了通用的摄氏温标，记为0C3、勒氏温标，应用不太广泛，以法国人勒奥墨尔得名，他用酒精作液体温度计，以酒精的膨胀状况来画度，定水的冰点为零度 ，沸点为80度二、对电的研究1、对静电最早进行定量研究 的是法国科学家库仑（1736- 1806），大约是在1785-1799年，他确定了点电荷之间和它们的 距离在相互作用中的关系这种 关系类似于牛顿发现的万有引力 数学形式：f=q1q2/r2，后来人们发现，库仑力在不同的介质中不同 ，经过后人的研究，又把介电常 数写进上式中，形式变为 f=q1q2/εr2，ε就是介电常数 二、对电的研究2、对发电现象和雷电进行研究的是美国的富兰克 林（1706-1790） 他做了一个著名的风筝 实验，这个实验证明了天上 的电和地上的电是同一个东 西，从而破除了人们对雷电 的恐惧和神秘感 富兰克林---风筝实验这个实验是利用莱顿瓶莱 顿瓶是马森布罗克（1692-1761）发明的，它只是一种早期的电 容器，它的制作方法是在玻璃瓶 的内外表面上都贴上锡箔，在瓶 塞上再装上一根铜线，这样就可 以把电机上产生的电荷引入玻璃 瓶中，电荷就会在玻璃瓶的锡箔 上积蓄起来。

二、对电的研究3、18世纪意大利的 科学家伽伐尼（11737- 1798），发现了电的运 动——电流1891年，伽伐尼发表了《论肌肉运动的电作 用》的论文伽伐尼青蛙实验当两种金属分别接 触蛙腿，并把这两种金 属用导线连接，蛙腿就 会产生痉挛，这实际上 已经接近发现了有电位 差时连上导线就会有电 流产生 二、对电的研究4、意大利电学家伏打 （1745-1827），重做了伽伐尼的某些实验，并进 行了改进制成了能提供持 续电流的电源这实际上时现代化学 电池的原型，后来，被人 们称为“伏打电堆“伏打电堆他把许多对（４０对 、６０对）圆形的铜片和 锌片相间地叠起来，每一 对铜锌片之间放上一块用 盐水侵湿的麻布片这时 只要用两条金属线各与顶 面上的锌片和底面上的铜 片焊接来，则两金属端点 就会产生几伏的电压 三、牛顿与惠更斯的争论和光学的进展惠更斯（1629-1695）是荷兰著名天文学家 、物理学家和数学家 他是通过天文学接触光 学的惠更斯及其波动说的建立惠更斯提出了他的一种比较系统的光波学说①光时一种机械波这种机械波是由光源的振动而发出的②光波是一种靠物质载体来传播的纵向波，传播它 的载体是“以太”。

③波面上的各点，本身就是引起媒质振动的波源他把波源振动发出的波称为子波，而把发出子波的波称 为原波，原波又发出子波如此持续传播下去这就是惠更斯用以解释光的传播规律的著名的惠更 斯原理惠更斯的光的波动说较好地解释了光的折射、 衍射和干涉惠更斯--菲涅耳原理菲涅耳：（1788-1827）：法国物理学家曾任土木工程师，1814年开始研 究光学实验和理论，1823年被选为巴 黎科学院院士，1825年被选为英国皇家学会会员菲涅耳对光的本性进行了研究， 独立提出光的波动说，完成了光是横 波的理论他发展了惠更斯理论，对 光的偏振和双折射现象、旋光理论都 有深刻的研究惠更斯--菲涅耳原理波传到的任何一点都是子波的波源，各子 波在空间某点的相干叠加（干涉），就决定了 该点波的强度 1.波传到P点处时的能量分布决定于各子波 的合振动 2.愈大，r方向子波振幅愈小 菲涅耳认为：  /2时，振幅为零，因 而强度也为零，说明子波不能向后传播 即：从同一波前上各点所发出的子波，在 传播过程中相遇于空间某点时，也可互相叠加 而产生干涉现象惠更斯-菲涅耳原理成为我们解释光的各类 衍射现象的理论依据 牛顿的微粒说的建立牛顿主要以光的反射和折射现象为基础，坚持了他对 光的本性所作的微粒说的解释。

牛顿在对光的色散现象的研究中提出了光的微粒说 牛顿在光学研究中，从光的色散现象中得出结论；单色 的光束是不能再改变的．它们可以说是光的“原子”，就象物质的原子一样．支持光的微粒说的人们认为：单色光 是由单一粒子构成的，白光则是各种光粒子的混合物， 棱镜只是将它们分类，使各种光粒子有不同的偏转角度 因而牛顿及其追随者把色散现象看作是微粒说的一个 证明牛顿的微粒说牛顿在170。