1、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
2、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 14971499 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15191522 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
3、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
4、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
5、德国教士马丁.路德（14831546 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。
6、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
7、，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
8、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
9、 。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 15461601 年
10、）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 15711630 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
11、 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
12、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
13、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
14、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 15641642 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
15、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
16、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
17、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，伽利略从塔上走下来，
18、校长和几个老教授立即将他围住说：“你一定是施了什么魔术，让两个球同时落地。亚里士多德是绝对不会错的。 ”伽利略说：“ 如若不信，我还可以上去重做一遍，这回你们可要注意看着。 ”校长说：“ 不必做了，亚里士多德全是靠道理服人的。重东西当然比轻东西落得快，这是公认的道理。就算你的实验是真的，但它不符合道理，也是不能承认的。 ”伽利略说：“ 好吧，既然你们不相信事实，一定要讲道理，我也可以来讲一讲。就算重物下落比轻物快吧，我现在把这两个球绑在一起，从空中扔下，按照亚里士多德的道理，你们说说看，它落下时比重球快呢还是比重球慢?”校长不屑一答地说道：“ 当然比重球要快 !因为它是重球加轻球，自然更重了。
19、”这时一个老教授忙将校长的衣袖扯了一下，挤上前来说：“当然比重球要慢。它是重球加轻球，轻球接拉它，所以下落速度应是两球的平均值，介乎重球和轻球之间。 ” 伽利略这时才不慌不忙地说道：“可是世上只有一个亚里士多德啊，按照他的理论，怎么会得出两个不同的结果呢?” 校长和教授们面面相觑，半天说不出话来。伽利略说：“ 看来还是亚里士多德错了 !物体从空中自由落下时不管轻重，都是同时落地，就是说物体无论轻重，它们的加速度是相同的。 ”(后来测得是98 米/秒 2)伽利略对科学作出了许多贡献，但最主要的贡献是对于地面物体运动的研究得到了惯性定律。这对牛顿力学的建立起非常重要的作用。近代科学的第一次大综合英
20、国物理学家牛顿（I.Newton,1642-1727 ）将哥白尼、第谷、开普勒、伽利略、笛卡儿和其他学者在天文学和动力学上的发现汇集起来，加上他自己在数学和力学上的创见，把物体的运动规律归结为三条基本运动定律和万有引力定律，由此建立起一个完整的力学理论体系。概括成迄今为止仍能站得住脚的经典力学体系，运用他的运动定律和万有引力定律对极其广泛的自然现象，从天体运行、潮汐涨落到物体坠地，做出统一解释，成为科学史上伟大的成就之一。他把过去一向认为是截然无关的地球上所谓“世俗” 的运动和日月星辰那些属于神圣的“ 天堂” 的运动统一在同一理论框架之中。这可以说牛顿力学是人类认识自然的历史中第一次理论的大综
21、合。牛顿定律的基本内容是：第一定律：即惯性定律，任何物体都保持静止或匀速直线运动状态，直到其他任何物体所作用的力迫使它改变这种状态。第二定律：物体受到外力时，物体所获得的加速度的大小与合外力的大小成正比，而与物体的质量成反比，加速度的方向与合外力的方向相同。即：F=a (其中=dv/dt)。注意现代的观点看来，上面牛顿第二定律的形式只适用于低速情况，普适的情况应是牛顿当初的形式 F=dP/dt。第三定律：当物体 A 以力作用于物体 B 上，物体也必定同时以 F作用在物体 A 上 F 和 F在一条直线上，大小相等方向相反。即：F= F万有引力定律：F=G（M /R 2） 其中 G=6.6710-
22、11m3/(Kgs2)称引力常数。牛顿力学是整个近代物理学和天文学的基础，也是现代一切机械、土木建筑、交通运输等工程技术的理论基础。经典力学最常用的是对质点进行矢量分析和建立运动微分方程的方法。这两种办法在解决单质点，以及有限约束的问题时，得心应手。但是，当面对的是多质点、多约束的情况时，直接运用这两种方法也就显得太过困难了。为了解决这个问题，十七、十八世纪的科学家们逐渐发展了动量定理、动量矩定理和活力定理三大运动定理以及它们在封闭系统环境下的三个积分形式的守恒定律。其他科学的初步发展解析几何由法国费尔马和笛卡儿独立创立。笛卡儿（1596-1650 年）分析了几何学与代数学的优缺点，表示要寻求
23、一种包含这两门科学的优点而没有它们的缺点的方法，这种方法就是用代数方法来研究几何问题解析几何， 几何学提出了解析几何学的主要思想和方法，标志着解析几何学的诞生。在笛卡尔之前，虽在方程中用符号表示常量和未知数，但不是变数，有了变数，运动进入了数学；有了变数，代数问题也可化为几何问题；而且变数为微积分的发明创造了条件。笛卡儿还改进了韦达的符号记法，他用 a， b，c 等表示已知数，用x，y，z 等表示未知数。微积分被公认为由牛顿和莱布尼斯奠基。他们的功绩主要在于：把各种有关问题的解法统一成微分法和积分法；有明确的计算步骤。微分法和积分法互为逆运算。由于运算的完整性和应用的广泛性，微积分成为解决问题
24、的重要工具。现代微积分的符号都来自莱布尼兹的发明。同时，关于微积分基础的问题也越来越严重。类似芝诺悖论的困惑暴发第二次数学危机。以求速度为例，瞬时速度是 ，当 趋近于零时的值。 是零，是很小的量，还是什么东西？无穷小量究竟是不是零？无穷小及其分析是否合理？由此而引起了数学界甚至哲学界长达一个半世纪的争论。 无穷小量究竟是不是零？两种答案都会导致矛盾。牛顿对它曾作过三种不同解释：1669 年说它是一种常量；1671 年又说它是一个趋于零的变量；1676 年又说它是“ 两个正在消逝的量的最终比 ”。但是，他始终无法解决上述矛盾。莱布尼兹试图用和无穷小量成比例的有限量的差分来代替无穷小量。但是，他也
25、没有找到从有限量过渡到无穷小量的桥梁。危机的最后解决是魏尔斯特拉斯消除了其中不确切的地方，给出现在通用的极限的 - 定义，连续的定义，并把导数、积分严格地建立在极限的基础上。对数的发明由 17 世纪英国人耐普尔发明。意义是有助于改进和简化计算。概率论的产生 重要的艺术一书的作者、意大利医生兼数学家卡当，据说曾大量地进行过赌博。他在赌博时研究不输的方法，实际是概率论的萌芽。 据说卡当曾参加过这样的一种赌法：把两颗骰子掷出去，以每个骰子朝上的点数之和作为赌的内容。已知骰子的六个面上分别为 16 点，那么，赌注下在多少点上最有利？两个骰子朝上的面共有 36 种可能，点数之和分别可为 212 共 11
26、 种。7 是最容易出现的和数，它出现的概率是 6/36=1/6。十七世纪中叶，法国贵族德美黑在骰子赌博中，由于有要急近处理的事情必须中途停止赌博，要靠对胜负的预测把赌资进行合理的分配，但不知用什么样的比例分配才算合理，于是就写信向当时法国的最高数学家帕斯卡请教。帕斯卡和当时第一流的数学家费尔玛一起，研究了德美黑提出的关于骰子赌博的问题。于是，一个新的数学分支-概率论登上了历史舞台。化学英国的玻义尔（R.Boyle,16271691）在 1661 年出版的怀疑派的化学家一书中首次明确将化学视为一个独立的学科，在书中他发展了自己关于化学元素的想法，完全驳倒了炼金术关于硫、汞、盐三本原的学说，彻底摧
27、毁了已存在两千年的四元素学说。这部专著对化学从药剂师和炼金术士那里解脱出来成为一门独立的科学有着重要意义。他将微粒说引入化学中，提出来一个化学元素的定义，将化学元素看作是化学反应中的“原始和简单的物质” 。1662 年，他用一根容积是 12 立方英寸的 U 形玻璃管（短的一端的口封闭） ，将水银从开口中灌进去，让原来管内的空气被压缩。波义耳观察到：当压强是两个大气压时，空气的体积是 6 立方英寸；当压强是三个大气压时，空气的体积是 4 立方英寸。于是得出了“ 一定质量的气体，在温度不变时，它的体积与压强成反比”结论，这就是著名的波义耳-马略特定律。晚年的波义耳根据“磷的重要成分，乃是人身上的某
28、种东西” 的观点，顽强努力地钻研，终于从动物尿中提取了磷。拉瓦锡是近代化学奠基人之一。1774 年 10 月，J.普里斯特利向拉瓦锡介绍了自己的实验:氧化汞加热时,可得到“脱燃素气” ，这种气体使蜡烛燃烧得更明亮，还能帮助呼吸。拉瓦锡重复了普里斯特利的实验，得到了相同的结果。拉瓦锡并不相信燃素说，所以他认为这种气体是一种元素,1777 年正式把这种气体命名为 oxygene（中译名氧） ，含义是酸的元素。拉瓦锡通过金属煅烧实验，于 1777 年向巴黎科学院提出了一篇报告燃烧概论，阐明了燃烧作用的氧化学说，要点为：燃烧时放出光和热；只有在氧存在时，物质才会燃烧；空气是由两种成分组成的，物质在空气
29、中燃烧时，吸收了空气中的氧,因此重量增加,物质所增加的重量恰恰就是它所吸收氧的重量；一般的可燃物质（非金属）燃烧后通常变为酸，氧是酸的本原，一切酸中都含有氧。金属煅烧后变为煅灰，它们是金属的氧化物。他还通过精确的定量实验，证明物质虽然在一系列化学反应中改变了状态，但参与反应的物质的总量在反应前后都是相同的。于是拉瓦锡用实验证明了化学反应中的质量守恒定律。拉瓦锡的氧化学说彻底地推翻了燃素说，使化学开始蓬勃地发展起来。几何光学 最初发展就是源于天文学和解剖学的需要。因为光学仪器在天文学和解剖学的研究中有着重要作用，在人们不断研究、制造光学仪器的过程中，几何光学形成了。几何光学的基础是光的反射定律和
30、光的折射定律。 十七世纪初，德国天文学家开普勒由于革新天文望远镜的实际需要开始了对几何光学的研究。1604 年他发表了一篇论文，对光的反射现象、光的折射现象及视觉现象作了初步的理论解释。1611 年，他又出版了一部光学著作，其中记载了他的两个重要试验：比较入射角和出射角的实验，圆柱玻璃试验。在书中，他对几何光学作了进一步的理论探讨，并提出了焦点、光轴等几何光学概念，发现了全反射。 继开普勒之后，荷兰物理学家和数学家斯涅尔对几何光学做出了系统的、数学的分析。斯涅尔通过实验与几何分析，最初发现了光的反射定律。另外，当他对光的反射现象进行系统的试验观测和几何分析以后，他又提出了光的折射定律。但斯涅尔
31、在世时并没有发表这一成果。1626 年，他的遗稿被惠更斯读到后才正式发表。不久后笛卡儿也推出了相同的结论，但他是把光的传播想象成球的传播，是用力学规律来解释的，不是十分严密。1661 年，费马把数学家赫里贡提出的数学方法用于折射问题，推出了折射定律，得到了正确的结论。折射定律的确立，促进了几何光学的迅速发展。物理光学色散是另一个古老的课题，因为彩虹现象已经吸引人类多年。在笛卡儿的方法论中，提到了作者早期的色散试验，但他没有观察到全部的色散现象。1648 年布拉格的马尔西成功的完成了光的色散试验，但他做出了错误的解释。 牛顿在笛卡儿等人的著作中得到了启示，用三个棱镜重新作了光的色散试验，并在此试
32、验的基础上，对光的颜色总结出了几条规律，结论全面，论据充分。光的本性问题是研究的焦点。波动说与微粒说的争论几乎贯穿近代物理光学研究的始终。波粒之争从十七世纪初笛卡儿提出两点假说开始、至二十世纪初以波粒二象性告终，共经历了三百多年的时间。物理学巨星牛顿，荷兰著名天文学家、物理学家和数学家惠更斯，英国物理学家胡克，英国著名物理学家托马斯杨等多位著名的科学家参与其中。双方争论得十分激烈，理论发展十分迅速。简单的概括一下波粒之争的过程。波动说一方，格里马第是光的波动说的提出者, 波义耳和胡克是他的支持者；惠更斯继承并完善了胡克的观点。生物17 世纪欧洲的生物学家已经知道了数千种以上的植物，18 世纪瑞
33、典博物学家林耐（C.Linnaeus,1707 1778）描述了 1.8 万种植物，面对这么多的植物 16-17 世纪逐步形成两种分类方法，一种是人为分类法，认为物种看成是不连续的界限分明的类群；另一种是自然分类法，认为生物之间存在着连续性。林耐是人为分类法的集大成者。1735 年出版的自然系统中，系统地阐述了他的植物分类原则和见解。他把植物分为纲、目、属、种，并以双名命名法命名植物。科研机构不断涌现在这一时期，欧洲工业革命的不断取得胜利，不仅促进了生产的发展，同时也猛烈冲击着各种旧的自然观。许多科学家提出了与封建主义、宗教统治势力相对抗的观点，特别强调发展实验自然科学，主张广泛开展科学实验来
34、追求科学真理，以反对宗教上的各种唯心主义说教。最早的科学组织于 17 世纪初出现在意大利，如罗马的林采学院和佛罗伦萨的西芒托学院。英国哲学家弗兰西斯.培根在新大西岛一书中描绘的高效率的科学组织的理想，由 1662 年皇家学会的成立得以实现。得到太阳王路易十四支持的法兰西科学院成立于 1666 年。1 700 年 普 鲁 土 成 立 了 柏 林 科 学 院 等 等 ，广 泛 开 展 和 交 流 学 术 活 动 ， 极 大 地 促 进 了 科 学 的 发 展 。近代科学方法培根创立实验归纳法弗兰西斯培根（Francis Bacon,1561-1626）是英国著名的唯物主义哲学家和科学家。他在文艺复
35、兴时期的巨人中被尊称为哲学史和科学史上划时代的人物。马克思称他是“ 英国唯物主义和整个现代实验科学的真正始祖。” 第一个提出“知识就是力量 ”。培根极力批判经院哲学和神学权威。他还进一步揭露了人类认识产生谬误的根源，提出了著名的“四假相说”。他说这是在人心普遍发生的一种病理状态，而非在某情况下产生的迷惑与疑难。第一种是“种族的假相” 这是由于人的天性而引起的认识错误；第二种是“洞穴的假相” 是个人由于性格、爱好、教育、环境而产生的认识中片面性的错误；第三种是“市场的假相” 由于人们交往时语言概念的不确定产生的思维混乱；第四种是“剧场的假相” 是指由于盲目迷信权威和传统而造成的错误认识。培根指出
36、，经院哲学家就是利用四种假相来抹煞真理，制造谬误，从而给予了经院哲学沉重的打击。但是培根的“假相说”渗透了培根哲学的经验主义倾象，未能对理智的本性与唯心主义的虚妄加以严格区别。培根认为当时的学术传统是贫乏的，原因在于学术与经验失去接触。他主张科学理论与科学技术相辅相成。他主张打破“偶像”，铲除各种偏见和幻想，他提出“真理是时间的女儿而不是权威的女儿”，对经院哲学进行了有力的攻击。培根的科学方法观以实验定性和归纳为主。他继承和发展了古代关于物质是万物本源的思想，认为世界是由物质构成的，物质具有运动的特性，运动是物质的属性。培根从唯物论立场出发，指出科学的任务在于认识自然界及其规律。培根的归纳法集
37、中体现在他的新工具一书中。他尖锐地批判了亚里斯多德以及后来经院哲学中对演绎法的过分依赖，认为三段论不能给人以新知识，新的科学工具就是实验和归纳。认为科学知识是经过证明了的知识，理论的基础、原始的概念和命题是依靠经验得出来的，从经验上升到理论是一个逐步上升的过程。因此他强调，运用归纳法必须记住两条规则： 放弃所有先入为主的概念而重新开始； 暂时不要企图上升到一般的结论。培根虽然不是个科学家，也几乎没有进行过认真的科学实验，但他是近代哲学史上首先提出经验论原则的哲学家。他重视感觉经验和归纳逻辑在认识过程中的作用，开创了以经验为手段，研究感性自然的经验哲学的新时代，对近代科学的建立起了积极的推动作用
38、，对人类哲学史、科学史都做出了重大的历史贡献。为此，罗素尊称培根为“给科学研究程序进行逻辑组织化的先驱”笛卡儿创立数学演绎法笛卡儿（Descartes,Ren1596-1660）,法国数学家、科学家和哲学家。他是西方近代资产阶级哲学奠基人之一。他的哲学与数学思想对历史的影响是深远的。人们在他的墓碑上刻下了这样一句话：“笛卡儿，欧洲文艺复兴以来，第一个为人类争取并保证理性权利的人。”小时候，他对所学的东西颇感失望。因为在他看来教科书中那些微妙的论证，其实不过是模棱两可甚至前后矛盾的理论，只能使他顿生怀疑而无从得到确凿的知识，惟一给他安慰的是数学。在结束学业时他暗下决心：不再死钻书本学问，而要向“
39、世界这本大书”讨教，于是他决定避开战争，1628年，他从巴黎移居荷兰，开始了长达 20 年的潜心研究和写作生涯，先后发表了许多在数学和哲学上有重大影响的论著。在荷兰长达 20 年的时间里，他集中精力做了大量的研究工作，在 1634 年写了论世界，书中总结了他在哲学、数学和许多自然科学问题上的看法。1641 年出版了行而上学的沉思，1644 年又出版了哲学原理等。他的著作在生前就遭到教会指责，死后又被梵蒂冈教皇列为禁书，但这并没有阻止他的思想的传播。哲学上，他推崇理性，是唯理论的代表。对于精神与物质的关系，持有精神与物质互不相关的二元论观点。笛卡尔的演绎法不是简单的重提古希腊的演绎法，而认为作为
40、演绎法的出发点的命题与数学公理相类似，是直观的可靠的真理。他要求他的演绎法与经院哲学的复杂繁琐的教条相区别，而要遵守以下几个原则： 只把那些十分清楚明白地呈现在我的心智之前、使我根本无法怀疑的东西放在我的判断中； 把难题尽可能分解为细小的部分，直到可以圆满解决为止； 按从最简单、最容易认识的对象开始，一点一点地上升到复杂的对象的认识 把一切情形尽量完全地列举出来，尽量普遍地加以审视，以保证没有遗漏。笛卡儿不仅在哲学领域里开辟了一条新的道路，同时笛卡儿又是一勇于探索的科学家，在物理学、生理学等领域都有值得称道的创见，特别是在数学上他创立了解析几何，从而打开了近代数学的大门，在科学史上具有划时代的
41、意义。笛卡儿在科学领域的成就同样累累硕果。他进而又创立了解析几何学，为微积分的创立奠定了基础，从而开拓了变量数学的广阔领域。恩格斯所说：“数学中的转折点是笛卡儿的变数。有了变数，运动进入了数学，有了变数，辨证法进入了数学，有了变数，微分和积分也就立刻成为必要了。笛卡儿的这些成就，为后来牛顿、莱布尼兹发现微积分，为一大批数学家的新发现开辟了道路。笛卡儿靠着天才的直觉和严密的数学推理，在物理学方面做出了有益的贡献。从 1619 年读了开普勒的光学著作后，笛卡儿就一直关注着透镜理论；并从理论和实践两方面参与了对光的本质、反射与折射率以及磨制透镜的研究。他把光的理论视为整个知识体系中最重要的部分。他从
42、理论上推导了折射定律，与荷兰的斯涅耳共同分享发现光的折射定律的荣誉。在力学方面，他提出了宇宙间运动量总和是常数的观点，创造了运动量守恒定律，为能量守恒定律奠定了基础。他还指出，一个物体若不受外力作用，将沿直线匀速运动。他发展了宇宙演化论，创立了漩涡说。他认为太阳的周围有巨大的漩涡，带动着行星不断运转。笛卡儿的这一太阳起源的旋涡说，比康德的星云说早一个世纪。他还提出了刺激反应说，为生理学做出了一定的贡献。笛卡儿近代科学的始祖。笛卡儿是欧洲近代哲学的奠基人之一，黑格尔称他为“现代哲学之父”。他自成体系，熔唯物主义与唯心主义于一炉，在哲学史上产生了深远的影响。同时，他又是一位勇于探索的科学家，他所建
43、立的解析几何在数学史上具有划时代的意义。笛卡儿堪称 17 世纪的欧洲哲学界和科学界最有影响的巨匠之一，被誉为“近代科学的始祖” 。伽俐略的数学与实验相结合伽利略是伟大的意大利物理学家和天文学家，科学革命的先驱。历史上他首先在科学实验的基础上融会贯通了数学、物理学和天文学三门知识，扩大、加深并改变了人类对物质运动和宇宙的认识。为了证实和传播 N.哥白尼的日心说，伽利略献出了毕生精力。由此，他晚年受到教会迫害，并被终身监禁。他以系统的实验和观察推翻了以亚里士多德为代表的、纯属思辨的传统的自然观，开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学。因此，他被称为“近代科学之父”。新的科学思想和科学研
44、究方法 在伽利略的研究成果得到公认之前，物理学以至整个自然科学只不过是哲学的一个分支，没有取得自己的独立地位。当时，哲学家们束缚在神学和亚里士多德教条的框框里，他们苦思巧辩，得不出符合实际的客观规律。伽利略敢于向传统的权威思想挑战，不是先臆测事物发生的原因，而是先观察自然现象，由此发现自然规律。他摒弃神学的宇宙观，认为世界是一个有秩序地服从简单规律的整体，要了解大自然，就必须进行系统的实验定量观测，找出它的精确的数量关系。基于这样的新的科学思想，伽利略倡导了数学与实验相结合的研究方法；这种研究方法是他在科学上取得伟大成就的源泉，也是他对近代科学的最重要贡献。用数学方法研究物理问题，原非伽利略首
45、倡，可以追溯到公元前 3世纪的阿基米德,14 世纪的牛津学派和巴黎学派以及 15、16 世纪的意大利学术界，在这方面都有一定成就，但他们并未将实验方法放在首位，因而在思想上未能有所突破。伽利略的数学与实验相结合的研究方法，一般来说，分三个步骤： 先提取出从现象中获得的直观认识的主要部分，用最简单的数学形式表示出来，以建立量的概念； 再由此式用数学方法导出另一易于实验证实的数量关系； 然后通过实验证实这种数量关系。伽利略进行科学实验的目的主要是为了检验一个科学假设是否正确,而不是盲目地收集资料,归纳事实。伽利略不但亲自设计和演示过许多实验，而且亲自研制出不少实验仪器。他的工艺知识丰富，制作技术精
46、湛，他所创制的许多实验仪器在当时及对后世都很有影响，下面举出几项：浮力天平 这是利用浮力原理快速测定金银器皿首饰中金银含量比例的直读仪器。这种仪器当时已用于金银首饰器皿的交易中。温度计 伽利略首创的温度计是一种开放式的液体温度计，玻璃管内盛有着色的水和酒精，液面与大气相通(见彩图伽利略的温度计)。这实际上是温度计与大气压力计的混合体，这是由于当时他对大气压力的变化还没有明确的认识。尽管如此，其学术价值仍很大，温度从此成为客观的物理量，不再是不确定的主观感觉。望远镜 伽利略制成的望远镜，可以观察到物体的正像。经过改进后,其倍率由 3 逐步增大到 33；不但指向星空，还可应用于船舰要塞，取得空前丰
47、硕的发现成果。这种望远镜结构简单，而其倍率和分辨本领受球差和色差的限制较大。伽利略在人类思想解放和文明发展的过程中作出了划时代的贡献。在当时的社会条件下，为争取不受权势和旧传统压制的学术自由，为近代科学的生长，他进行了坚持不懈的斗争，并向全世界发出了振聋发聩的声音。因此，他是科学革命的先驱，也可以说是“近代科学之父”。虽然他晚年终于被剥夺了人身自由，但他开创新科学的意志并未动摇。他的追求科学真理的精神和成果，永远为后代所景仰。1799 年，梵蒂冈教皇 J.保罗二世代表罗马教廷为伽利略公开平反昭雪,认为教廷在 300 多年前迫害他是严重的错误。这表明教廷最终承认了伽利略的主张宗教不应该干预科学。
48、牛顿论科学方法牛顿一生的重要贡献是集 16、17 世纪科学先驱们成果的大成，建立起一个完整的力学理论体系，把天地间万物的运动规律概括在一个严密的统一理论中。这是人类认识自然的历史中第一次理论的大综合。以牛顿命名的力学是经典物理学和天文学的基础，也是现代工程力学以及与之有关的工程技术的理论基础。这一成就，使以牛顿为代表的机械论的自然观，在整个自然科学领域中取得了长达两百年的统治地位。亚里士多德的哲学讲求事物的和谐，求和谐思想是正确的，但亚里士多德认为天上的日、月、星辰的运行轨道是圆形，因为只有圆运动才是完美的、和谐的，而地上的运动，例如重物直线下落是凡俗的。古希腊哲学家的和谐思想不能在天与地之间
49、连贯。到了 17 世纪，牛顿用引力理论和运动三定律把天上行星和它们的卫星运动规律，同地上重力下坠的现象统一起来，实现了天上人间的统一，这是牛顿在自然哲学上的伟大贡献。牛顿在科学上的成就须由他的哲学思想和科学方法来寻根求源。在物理学科中伽利略的实验工作是实验物理学的开端，牛顿深受其影响。随后牛顿使作为实验科学的物理学形成一个光辉体系，同时也使科学实验方法闯入了哲学思想的殿堂。牛顿认为从现象中可以得出科学原理，或者说科学基本原理可以从现象中导得或推出。牛顿在原理和光学两书中明白表达他的做学问的方法，即要明白无误地区别猜测、假设和实验结果（及由此而归纳得出的结论），还有从某些假设条件下所得到数学推导。原理第一编十四章中处理细微粒子的运动和第二编命题 23 中设想气体中有相互排斥质点的模型都是牛顿运用具有物理实质性的数学模型的例子，但是他对这些问题缺少实质性的实验证据，未能写出无可辩驳的论述。1713 年牛顿在出版原理第 2 版时在给他的学生科茨的信中提到运动定律是居于首位的定律或称
