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1、1 大學(xué)物理（文科大學(xué)物理（文科） 緒緒 論論一、什么是物理學(xué)？一、什么是物理學(xué)？ 古希臘人把對自然現(xiàn)象的觀察和理解籠統(tǒng)地包含在一古希臘人把對自然現(xiàn)象的觀察和理解籠統(tǒng)地包含在一門學(xué)問中即門學(xué)問中即自然哲學(xué)自然哲學(xué)。牛頓關(guān)于物理學(xué)的名著稱為。牛頓關(guān)于物理學(xué)的名著稱為自自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理。自然科學(xué)分化為物理、化學(xué)、天。自然科學(xué)分化為物理、化學(xué)、天文學(xué)、地理學(xué)、生物學(xué)、力學(xué)等（數(shù)學(xué)僅是一種工具）文學(xué)、地理學(xué)、生物學(xué)、力學(xué)等（數(shù)學(xué)僅是一種工具）只是近三百年多年的事。什么是物理學(xué)？只是近三百年多年的事。什么是物理學(xué)？物理學(xué)就是研物理學(xué)就是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、運動和相互作用的基本規(guī)律以及它們的各

2、究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、運動和相互作用的基本規(guī)律以及它們的各種實際應(yīng)用的學(xué)科。種實際應(yīng)用的學(xué)科。與其他學(xué)科相比，它更著重于對物與其他學(xué)科相比，它更著重于對物質(zhì)世界最普遍最基本的規(guī)律的追求。物理學(xué)作為自然科質(zhì)世界最普遍最基本的規(guī)律的追求。物理學(xué)作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，歷來是人類物質(zhì)文明發(fā)展的動力。作為學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，歷來是人類物質(zhì)文明發(fā)展的動力。作為人類追求真理、探索未知世界奧妙的工具，物理學(xué)是一人類追求真理、探索未知世界奧妙的工具，物理學(xué)是一種哲學(xué)觀和方法論。種哲學(xué)觀和方法論。2二、文科學(xué)生為什么要學(xué)物理？二、文科學(xué)生為什么要學(xué)物理？ 人類社會的進步與物理學(xué)的發(fā)展是息息相關(guān)的，沒有人類社會的進步與物理學(xué)的發(fā)

3、展是息息相關(guān)的，沒有物理學(xué)，就沒有科學(xué)和技術(shù)。毫無疑義，物理學(xué)，就沒有科學(xué)和技術(shù)。毫無疑義， 物理學(xué)在過去、物理學(xué)在過去、現(xiàn)在和將來都是科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的動力與源泉?，F(xiàn)在和將來都是科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的動力與源泉。 在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的時代，在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的時代，物理學(xué)愈來愈成物理學(xué)愈來愈成為包括人文科學(xué)在內(nèi)的各類人才所必需具備的基本知識。為包括人文科學(xué)在內(nèi)的各類人才所必需具備的基本知識。各種管理工作都與科學(xué)技術(shù)分不開，而科學(xué)技術(shù)更離不開各種管理工作都與科學(xué)技術(shù)分不開，而科學(xué)技術(shù)更離不開物理學(xué)。因此，許多大學(xué)都在人文社科、經(jīng)濟管理等專業(yè)物理學(xué)。因此，許多大學(xué)都在人文社科、經(jīng)濟管理等專業(yè)開設(shè)

4、了物理學(xué)課程。開設(shè)了物理學(xué)課程。3三、文科學(xué)生怎樣學(xué)物理？三、文科學(xué)生怎樣學(xué)物理？ 第一、認真領(lǐng)會物理學(xué)知識體系。第一、認真領(lǐng)會物理學(xué)知識體系。包括物理學(xué)發(fā)展的包括物理學(xué)發(fā)展的歷史、物理學(xué)對物質(zhì)世界及其運動的基本認識、物理學(xué)思歷史、物理學(xué)對物質(zhì)世界及其運動的基本認識、物理學(xué)思想及其科學(xué)研究方法、正確的自然觀與宇宙觀、物理學(xué)基想及其科學(xué)研究方法、正確的自然觀與宇宙觀、物理學(xué)基本原理、物理學(xué)在技術(shù)中的應(yīng)用。本原理、物理學(xué)在技術(shù)中的應(yīng)用。 第二、正確對待物理中的數(shù)學(xué)。第二、正確對待物理中的數(shù)學(xué)。物理學(xué)的基本概念物理學(xué)的基本概念和基本原理都是通過數(shù)學(xué)語言來表達的。沒有數(shù)學(xué)，物理和基本原理都是通過數(shù)學(xué)語

5、言來表達的。沒有數(shù)學(xué)，物理便不成體系，物理問題就無法說清楚。要完全回避數(shù)學(xué)，便不成體系，物理問題就無法說清楚。要完全回避數(shù)學(xué)，是不現(xiàn)實的。本課程涉及到的是微積分初步知識和矢量的是不現(xiàn)實的。本課程涉及到的是微積分初步知識和矢量的基本知識。為了照顧大家的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，教材作了一些簡化基本知識。為了照顧大家的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，教材作了一些簡化處理。學(xué)習(xí)時還可以參閱附錄。碰到數(shù)學(xué)不要有畏難情緒。處理。學(xué)習(xí)時還可以參閱附錄。碰到數(shù)學(xué)不要有畏難情緒。只要你下決心去搞懂它，是不困難的。只要你下決心去搞懂它，是不困難的。 第三、要學(xué)會自學(xué)第三、要學(xué)會自學(xué)。4四、文科物理講什么？四、文科物理講什么？ 1.1.物理學(xué)的發(fā)展歷

6、史物理學(xué)的發(fā)展歷史。主要內(nèi)容：中國和西方古代物理。主要內(nèi)容：中國和西方古代物理學(xué)思想；科學(xué)革命與科學(xué)觀的形成；經(jīng)典物理學(xué)理論體系學(xué)思想；科學(xué)革命與科學(xué)觀的形成；經(jīng)典物理學(xué)理論體系的建立以及近代物理學(xué)的發(fā)展；物理學(xué)對人類文明的貢獻。的建立以及近代物理學(xué)的發(fā)展；物理學(xué)對人類文明的貢獻。 2.2.物質(zhì)世界的基本運動形式及物理學(xué)的基本原理。物質(zhì)世界的基本運動形式及物理學(xué)的基本原理。物物質(zhì)的運動形式包括機械運動、熱運動、電磁運動、宏觀高質(zhì)的運動形式包括機械運動、熱運動、電磁運動、宏觀高速運動、振動和波動、微觀粒子運動及其規(guī)律。速運動、振動和波動、微觀粒子運動及其規(guī)律。 3.3.物理學(xué)對物質(zhì)世界的基本認識

7、。物理學(xué)對物質(zhì)世界的基本認識。內(nèi)容包括：物質(zhì)世內(nèi)容包括：物質(zhì)世界的層次、形態(tài)與基本相互作用；物理學(xué)與宇宙觀；物質(zhì)界的層次、形態(tài)與基本相互作用；物理學(xué)與宇宙觀；物質(zhì)世界的對稱性和統(tǒng)一性；物理學(xué)認識的真理性。世界的對稱性和統(tǒng)一性；物理學(xué)認識的真理性。 4.4.物理學(xué)在技術(shù)科學(xué)的應(yīng)用物理學(xué)在技術(shù)科學(xué)的應(yīng)用。高新技術(shù)、環(huán)境科學(xué)、。高新技術(shù)、環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)是生命科學(xué)是2121世紀極為重要的、也是人們最為關(guān)注的幾個世紀極為重要的、也是人們最為關(guān)注的幾個技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域。將討論物理學(xué)在這些領(lǐng)域中的應(yīng)用。技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域。將討論物理學(xué)在這些領(lǐng)域中的應(yīng)用。5 第一章第一章 從自然哲學(xué)到現(xiàn)代物理學(xué)從自然哲學(xué)到現(xiàn)代物理

8、學(xué) 物理學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了古代物理學(xué)時期（物理學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了古代物理學(xué)時期（1616世世紀以前）、經(jīng)典物理學(xué)時期（紀以前）、經(jīng)典物理學(xué)時期（1616世紀世紀1919世紀）世紀）和近現(xiàn)代物理學(xué)時期（和近現(xiàn)代物理學(xué)時期（2020世紀以來）。世紀以來）。 1.1 古代物理學(xué)思想古代物理學(xué)思想1.1.1 中國古代物理學(xué)思想中國古代物理學(xué)思想 1.關(guān)于物質(zhì)本原的認識關(guān)于物質(zhì)本原的認識 中國古代，關(guān)于對物質(zhì)本原的研究主要有中國古代，關(guān)于對物質(zhì)本原的研究主要有“陰陰陽學(xué)說陽學(xué)說”、“五行思想五行思想”、“原子觀點原子觀點”、“元元氣說氣說”諸理論。諸理論。6 （1 1）陰陽學(xué)說）陰陽學(xué)說 易經(jīng)易經(jīng)的注解書的注解

9、書易傳易傳指出：指出：“易有太極，是生兩儀，兩儀生四易有太極，是生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦象，四象生八卦”， “ “太極太極”指宇宙本原指宇宙本原（物質(zhì)的原始態(tài)），（物質(zhì)的原始態(tài)），“兩儀兩儀”就是陰陽，就是陰陽，“四象四象”是春夏秋冬四時，是春夏秋冬四時，“八卦八卦”即天、即天、地、山、澤、水、火、風(fēng)、雷，把自然現(xiàn)地、山、澤、水、火、風(fēng)、雷，把自然現(xiàn)象歸納成為八種基本現(xiàn)象。老子說：象歸納成為八種基本現(xiàn)象。老子說：“萬萬物負陰而抱陽物負陰而抱陽”。按陰陽學(xué)說，世間萬物。按陰陽學(xué)說，世間萬物的千變?nèi)f化、生生不息都歸結(jié)于陰陽之間的千變?nèi)f化、生生不息都歸結(jié)于陰陽之間的彼此消長、對立統(tǒng)一、相互作用

10、和相互的彼此消長、對立統(tǒng)一、相互作用和相互轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化。 （2 2）五行思想）五行思想 “ “五行五行”指指“金木水火土金木水火土”五種基本五種基本物質(zhì)或元素。認為世間萬物皆由這五種元素構(gòu)成。五物質(zhì)或元素。認為世間萬物皆由這五種元素構(gòu)成。五種元素之間具有相生和相克的基本關(guān)系即：土生金、種元素之間具有相生和相克的基本關(guān)系即：土生金、金生水、水生木、木生火、火生金和土克水、水克火、金生水、水生木、木生火、火生金和土克水、水克火、火克金、金克木、木克土。火克金、金克木、木克土。老子約公元前600500年 7 （3 3）原子觀點）原子觀點 墨經(jīng)墨經(jīng)記述，記述，“端，體之無厚而最前者也端，體之無厚而最前者

11、也”。解釋是，端的尺寸非常小（解釋是，端的尺寸非常?。ā盁o厚無厚”），內(nèi)部無間隙，不能再分割，），內(nèi)部無間隙，不能再分割，是構(gòu)成物質(zhì)的最小顆粒。是構(gòu)成物質(zhì)的最小顆粒。莊子莊子天下天下指出：指出：“一尺之棰，日取一尺之棰，日取其半，萬世不竭其半，萬世不竭”，認為物質(zhì)可無限分割。，認為物質(zhì)可無限分割。 （4 4）元氣理論）元氣理論 “ “元氣說元氣說”可以概括為：天地是包含元氣的可以概括為：天地是包含元氣的實體，萬物由物質(zhì)性的元氣構(gòu)成，是氣的不同凝聚狀態(tài)。萬物從混實體，萬物由物質(zhì)性的元氣構(gòu)成，是氣的不同凝聚狀態(tài)。萬物從混沌中產(chǎn)生和發(fā)展，是元氣運動所致。有形的物體不可滅，無形的元沌中產(chǎn)生和發(fā)展，是元

12、氣運動所致。有形的物體不可滅，無形的元氣也不可滅，元氣的運動也不可滅。氣也不可滅，元氣的運動也不可滅。 2.2.關(guān)于時間、空間和運動的認識關(guān)于時間、空間和運動的認識 魏國的尸佼給宇宙以定義：魏國的尸佼給宇宙以定義：“上下四方曰宇，往古今來曰上下四方曰宇，往古今來曰宙宙”，宇即空間，宙即時間。，宇即空間，宙即時間。莊子莊子的定義：的定義：“有實而無乎處者，有實而無乎處者，宇也；有長而無本剽者，宙也。宇也；有長而無本剽者，宙也?！币馑际?，宇是實在的且無所不在，意思是，宇是實在的且無所不在，宙有長短但無始終，說明了時空的無限屬性。宙有長短但無始終，說明了時空的無限屬性。 8 關(guān)于運動與靜止，墨家定義

13、：關(guān)于運動與靜止，墨家定義：“動，域徙也動，域徙也”“”“止，以久也止，以久也”，即運動意味物體空間位置（域）的改變（徙），即運動意味物體空間位置（域）的改變（徙）， 靜止意味物體處靜止意味物體處于空間某位置有一段時間（久）。至于時空與運動的關(guān)系，墨家寫于空間某位置有一段時間（久）。至于時空與運動的關(guān)系，墨家寫道：道：“宇域徙宇域徙 ，說在長宇久，說在長宇久” “” “宇徙而又處宇，宇南北，在旦又宇徙而又處宇，宇南北，在旦又在暮在暮”。即物體在空間移動，是空間隨著時間的由近及遠的變化，。即物體在空間移動，是空間隨著時間的由近及遠的變化，物體離開原空間而占據(jù)另一空間，好比物體從南到北，經(jīng)歷的時間

14、物體離開原空間而占據(jù)另一空間，好比物體從南到北，經(jīng)歷的時間從早到晚。這樣，時間與空間的聯(lián)系便統(tǒng)一于物體的運動中了從早到晚。這樣，時間與空間的聯(lián)系便統(tǒng)一于物體的運動中了。 呂氏春秋呂氏春秋中描述的中描述的“刻舟求劍刻舟求劍”的故事：一個人坐在行船上，的故事：一個人坐在行船上，手中劍掉到水中。他在船上掉劍位置刻上記號，以便撈劍。作者笑手中劍掉到水中。他在船上掉劍位置刻上記號，以便撈劍。作者笑話掉劍人以行船為參照系去找劍是獨勞的。晉代束皙說：話掉劍人以行船為參照系去找劍是獨勞的。晉代束皙說：“乘船以乘船以涉水，水去船不徙矣涉水，水去船不徙矣”“”“仰游云以觀，日月常動而云不移仰游云以觀，日月常動而云

15、不移”。是對。是對運動相對性的描述運動相對性的描述. .春秋偉春秋偉考靈曜考靈曜記述：記述：“地恒動不止，而人地恒動不止，而人不知，比如人在大舟中，閉而坐，舟行而人不覺也不知，比如人在大舟中，閉而坐，舟行而人不覺也”，是相對性原，是相對性原理的思想理的思想。 9 墨經(jīng)：“力，刑之所以奮也”“重之謂下，舉重，奮也”。 “刑”即“形”為物體，“奮”為“運動狀態(tài)的改變”，這與牛頓定律不謀而合。南宋吳曾在能改齋漫錄中記述一個故事：燕昭王養(yǎng)的一頭肥豬太大，最大的秤也不能稱出豬的重量，便命“水官”用船去稱重，才稱出豬的重量。墨家曾寫道：“沉形之衡也，則沉淺非形淺也，若易五之一”。意思是，浮體放入水中平衡時

16、，浮體下沉一定深度，浮體的重量與水對物體下沉部分的浮力相等，好比五件物品與一件物品的等價交換?？梢姽湃藢Ω×σ延休^深刻的認識。至于彈力，我國古人早就有所認識并加以利用了，如弓箭、彈弓、管樂器中的簧片等，而且在許多書籍中也記載了外力與形變的正比關(guān)系。張衡的預(yù)報地震的地動儀，用到了慣性和杠桿原理等力學(xué)知識。張衡（78-139） 10 4.關(guān)于光的認識關(guān)于光的認識 中國古代在光的直線傳播、光的反射和折射、光的色中國古代在光的直線傳播、光的反射和折射、光的色散、小孔成像實驗有許多研究。我國春秋戰(zhàn)國時期，墨散、小孔成像實驗有許多研究。我國春秋戰(zhàn)國時期，墨子及其弟子在子及其弟子在墨經(jīng)墨經(jīng)中就已記載著光的直

17、線傳播（影中就已記載著光的直線傳播（影的形成和小孔成像等）和光在鏡面（凹面和凸面）上的的形成和小孔成像等）和光在鏡面（凹面和凸面）上的反射現(xiàn)象，并提出了一系列經(jīng)驗規(guī)律，把物和像的位置反射現(xiàn)象，并提出了一系列經(jīng)驗規(guī)律，把物和像的位置及大小與所用鏡面的曲率相聯(lián)系。及大小與所用鏡面的曲率相聯(lián)系。墨經(jīng)墨經(jīng)記述的小孔記述的小孔成像實驗如圖成像實驗如圖1-1-11-1-1，物體通過小孔成的像是倒立的。光，物體通過小孔成的像是倒立的。光照在物體（人）上，從物體上發(fā)出的投射到屏上的一切照在物體（人）上，從物體上發(fā)出的投射到屏上的一切。光線均相交于針孔處，光線均相交于針孔處，物體下部發(fā)出的光線像物體下部發(fā)出的光

18、線像箭一樣射到高處，上部箭一樣射到高處，上部發(fā)出的光線射到低處發(fā)出的光線射到低處。圖1-1-1墨子（公元前479年前381年）11 宋代的沈括在宋代的沈括在夢溪筆談夢溪筆談中對凹面鏡和凸面鏡的中對凹面鏡和凸面鏡的成像規(guī)律、測定凹面鏡焦點的原理以及虹的成因等方面成像規(guī)律、測定凹面鏡焦點的原理以及虹的成因等方面均有創(chuàng)造性的闡述。南宋末的趙友欽對小孔成像進行了均有創(chuàng)造性的闡述。南宋末的趙友欽對小孔成像進行了全面而系統(tǒng)的實驗（改變光源、改變物距、改變像距、全面而系統(tǒng)的實驗（改變光源、改變物距、改變像距、改變孔的形狀大小），得出了一些有意義的結(jié)論如大孔改變孔的形狀大?。?，得出了一些有意義的結(jié)論如大孔成像

19、（明亮部分）和大孔形狀相同，小孔成像和光源形成像（明亮部分）和大孔形狀相同，小孔成像和光源形狀相同。狀相同。 沈括說沈括說“虹乃雨中日影也，日照雨則虹乃雨中日影也，日照雨則有之有之”。朱熹認為虹是。朱熹認為虹是“日色散射雨日色散射雨氣氣”。中唐道士張果還用白石英制作了。中唐道士張果還用白石英制作了三棱鏡，記錄了世界上第一幅色散光譜三棱鏡，記錄了世界上第一幅色散光譜圖并且畫出了光圖，也許注意到了光的圖并且畫出了光圖，也許注意到了光的折射現(xiàn)象。折射現(xiàn)象。沈括（1031-1095）12 5.關(guān)于電和磁的認識關(guān)于電和磁的認識 “電電”字最早見于西周的青銅器的銘文中（雷電現(xiàn)象的記字最早見于西周的青銅器的

20、銘文中（雷電現(xiàn)象的記錄）。東漢王充在錄）。東漢王充在論衡論衡中記述：中記述：“頓牟綴芥，磁石引頓牟綴芥，磁石引針針”（頓牟即琥珀），即摩擦過的琥珀可以吸引輕小物體（頓牟即琥珀），即摩擦過的琥珀可以吸引輕小物體如芥籽、磁鐵可以吸引鐵針。他還用如芥籽、磁鐵可以吸引鐵針。他還用“元氣元氣”理論解釋靜電理論解釋靜電和靜磁現(xiàn)象，認為芥籽和琥珀、鐵針和磁石具有相同的和靜磁現(xiàn)象，認為芥籽和琥珀、鐵針和磁石具有相同的“氣氣性性”，因而互相感動而吸引（，因而互相感動而吸引（“氣有潛通氣有潛通”）。雷電是如何）。雷電是如何產(chǎn)生的？歷代學(xué)者用產(chǎn)生的？歷代學(xué)者用“元氣說元氣說”作了許多解釋。先秦的慎到作了許多解釋。先

21、秦的慎到提出：提出：“陽與陰夾持，則磨軋有光而為電陽與陰夾持，則磨軋有光而為電”（磨軋即摩擦）。（磨軋即摩擦）?；茨献踊茨献訅嬓斡?xùn)墜形訓(xùn)中指出：中指出：“陰陽相薄為雷，激揚為電陰陽相薄為雷，激揚為電”，即陰陽二氣彼此撞擊產(chǎn)生雷，而相互滲透產(chǎn)生電。王充認為，即陰陽二氣彼此撞擊產(chǎn)生雷，而相互滲透產(chǎn)生電。王充認為，雷電是因為陰陽二氣之爭、產(chǎn)生爆炸而形成的。明代劉伯溫雷電是因為陰陽二氣之爭、產(chǎn)生爆炸而形成的。明代劉伯溫概括了歷代學(xué)者的觀點：概括了歷代學(xué)者的觀點：“雷者，天氣之郁而激發(fā)也，陰氣雷者，天氣之郁而激發(fā)也，陰氣團于陽，必迫，迫極而迸，迸而聲為雷，光為電團于陽，必迫，迫極而迸，迸而聲為雷，光為電

22、”。13 呂氏春秋呂氏春秋記載：記載：“慈石召鐵，或引之也慈石召鐵，或引之也”“”“石，石，鐵之母也。以有慈石，故能引其子鐵之母也。以有慈石，故能引其子”，明確地描述了磁，明確地描述了磁石的吸鐵性如同慈母吸引著自己的孩子。石的吸鐵性如同慈母吸引著自己的孩子?；茨献踊茨献舆€還記述了磁石吸引物質(zhì)只限于鐵，寫道：記述了磁石吸引物質(zhì)只限于鐵，寫道：“若以慈石之能若以慈石之能連鐵也，而求其引瓦，則難矣連鐵也，而求其引瓦，則難矣”“”“及其于銅則不通及其于銅則不通”。沈括對指南針形制的改進有重大貢獻。在研究磁針時，沈括對指南針形制的改進有重大貢獻。在研究磁針時，他還發(fā)現(xiàn)了地磁偏現(xiàn)象。他還發(fā)現(xiàn)了地磁偏現(xiàn)象。

23、 6.關(guān)于聲的認識關(guān)于聲的認識 中國古人對聲學(xué)的研究有許多發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造，尤其在樂中國古人對聲學(xué)的研究有許多發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造，尤其在樂律研究方面有許多重要成果。另外對聲音的產(chǎn)生與傳播、律研究方面有許多重要成果。另外對聲音的產(chǎn)生與傳播、共振與共鳴等現(xiàn)象也做了許多理論和實驗研究。共振與共鳴等現(xiàn)象也做了許多理論和實驗研究。 北京天壇的回音壁和山西永濟的鶯鶯塔是聲學(xué)在建北京天壇的回音壁和山西永濟的鶯鶯塔是聲學(xué)在建筑上應(yīng)用的杰作。筑上應(yīng)用的杰作。141.1.2 西方古代物理學(xué)思想 1.關(guān)于物質(zhì)本原 古希臘哲學(xué)家們對宇宙本原、萬物組成、大地構(gòu)造等問題，進行了許多思考和辯論，提出了各種觀點。其中主要有“元素論”和“原

24、子論”等理論。 （1）元素論 泰勒斯認為大地漂浮在水面上，萬物本原是水。阿那克西米尼認為大地像是“漂浮在空氣中的一片寬大的樹葉”，萬物本原應(yīng)是“氣”。赫拉克立特把物質(zhì)本原歸于“火”。恩培多克勒認為，萬物的本原應(yīng)由四種“元素”組成即“土、水、氣、火”，亞里士多德認為認為，冷、熱、濕和干是更基本的性質(zhì)，四元素是這四種性質(zhì)兩兩組合而成的物質(zhì)本原，濕與冷組合成水，濕與熱組合成氣，干與冷組合成土，干與熱組合成火。亞里士多德(Aristotel,約前384-前322)15（2 2）原子論）原子論 德謨克利特建立了德謨克利特建立了“原子論原子論”觀點。原子論的觀點。原子論的大致要點是：大致要點是：（1 1）

25、宇宙萬物都由原子構(gòu)成，原子是不可分割、不可破滅的）宇宙萬物都由原子構(gòu)成，原子是不可分割、不可破滅的極小而結(jié)實的物質(zhì)單元；極小而結(jié)實的物質(zhì)單元；（2 2）宇宙中除了原子和虛空，不存在其它任何東西；）宇宙中除了原子和虛空，不存在其它任何東西；（3 3）原子從恒古以來就存在，既不能創(chuàng)造，也不能消滅；）原子從恒古以來就存在，既不能創(chuàng)造，也不能消滅； 德謨克利特（Democritus,約前460-前361）（4 4）原子在數(shù)量上是無限的，在形式上是多樣的，）原子在數(shù)量上是無限的，在形式上是多樣的，它們在一個無限的虛空中永遠處于渦旋運動之中，它們在一個無限的虛空中永遠處于渦旋運動之中，因此形成各種復(fù)合物。

26、由于組成物體的原子在數(shù)因此形成各種復(fù)合物。由于組成物體的原子在數(shù)量、形狀、次序、位置不同，故物體彼此各異；量、形狀、次序、位置不同，故物體彼此各異；（5 5）原子在虛空中只有通過直接接觸）原子在虛空中只有通過直接接觸壓迫、撞壓迫、撞擊等，它們才能相互作用，超距作用不可能擊等，它們才能相互作用，超距作用不可能。 16 2.關(guān)于運動和力關(guān)于運動和力 亞里士多德將物體的運動分為亞里士多德將物體的運動分為自然運動和強迫運動自然運動和強迫運動。自然運動指重物垂直下落和輕物體豎子直上升的運動。自自然運動指重物垂直下落和輕物體豎子直上升的運動。自然運動的物體要尋找其天然位置，例如，含土元素的重物然運動的物體

27、要尋找其天然位置，例如，含土元素的重物的天然位置在地心，火元素的天然位置在天空，氣和水的的天然位置在地心，火元素的天然位置在天空，氣和水的輕重是相對的。因而，重物下墜，煙霧升空，石頭在水中輕重是相對的。因而，重物下墜，煙霧升空，石頭在水中下降，氣泡在水中上升。物體下落的快慢即速度與重量成下降，氣泡在水中上升。物體下落的快慢即速度與重量成正比。強迫運動指借助推力才能進行的運動正比。強迫運動指借助推力才能進行的運動。 阿基米德 （Archimedes,約前 287-前212）不推，物體就處于靜止?fàn)顟B(tài)。物體運動的不推，物體就處于靜止?fàn)顟B(tài)。物體運動的速度與施加的外力成正比，與在介質(zhì)中受速度與施加的外力

28、成正比，與在介質(zhì)中受到的阻力成反比。到的阻力成反比。阿基米德阿基米德論平面的平論平面的平衡衡和和論浮體論浮體中論證了杠桿原理和浮中論證了杠桿原理和浮力定律。他曾經(jīng)聲稱：力定律。他曾經(jīng)聲稱：“給我一個穩(wěn)定的給我一個穩(wěn)定的支點，我就能把地球挪動支點，我就能把地球挪動”。 17 阿拉伯學(xué)者阿勒阿拉伯學(xué)者阿勒- -哈齊尼通過實驗測定了許多物質(zhì)如金、哈齊尼通過實驗測定了許多物質(zhì)如金、銀、銅、鐵、鉛、水銀、象牙、酒等比重。提出了一個重銀、銅、鐵、鉛、水銀、象牙、酒等比重。提出了一個重要的物理思想：物質(zhì)的量與它的重量并不是一回事。另外要的物理思想：物質(zhì)的量與它的重量并不是一回事。另外他還以路程與時間之比來表

29、示速度。他還以路程與時間之比來表示速度。 3.關(guān)于光學(xué)關(guān)于光學(xué) 希臘數(shù)學(xué)家歐基里德首先將幾何知識引入光學(xué)研究并希臘數(shù)學(xué)家歐基里德首先將幾何知識引入光學(xué)研究并將光學(xué)看成幾何學(xué)的一個分支（現(xiàn)稱為幾何光學(xué)）。他研將光學(xué)看成幾何學(xué)的一個分支（現(xiàn)稱為幾何光學(xué)）。他研究了平面鏡和球面鏡成像問題，提出了反射角等于入射角究了平面鏡和球面鏡成像問題，提出了反射角等于入射角的反射定律，還發(fā)現(xiàn)凹面鏡的聚焦作用并假定焦點在球心的反射定律，還發(fā)現(xiàn)凹面鏡的聚焦作用并假定焦點在球心與球面之間。他肯定了光是直線傳播的，由此而研究投影與球面之間。他肯定了光是直線傳播的，由此而研究投影現(xiàn)象，指出光源大小和物體大小不同，會產(chǎn)生不同

30、的投影。現(xiàn)象，指出光源大小和物體大小不同，會產(chǎn)生不同的投影。 天文學(xué)家托勒密系統(tǒng)地研究了光的折射，最先測定了天文學(xué)家托勒密系統(tǒng)地研究了光的折射，最先測定了光通過兩種介質(zhì)界面時的入射角和折射角。光通過兩種介質(zhì)界面時的入射角和折射角。18 天文學(xué)家阿里斯塔克最先利用當(dāng)時的光學(xué)知識進行天天文學(xué)家阿里斯塔克最先利用當(dāng)時的光學(xué)知識進行天文數(shù)據(jù)的測量。例如，他測得日地間距離為月地間距離的文數(shù)據(jù)的測量。例如，他測得日地間距離為月地間距離的2020倍（實際上為倍（實際上為400400倍）、月亮直徑約為地球直徑的倍）、月亮直徑約為地球直徑的1/21/2（實際為（實際為1/41/4）、太陽直徑約為地球直徑的）、太

31、陽直徑約為地球直徑的1010倍（實際為倍（實際為100100倍）。倍）。 阿拉伯學(xué)者阿勒阿拉伯學(xué)者阿勒- -哈增反對托勒密關(guān)于眼睛發(fā)出哈增反對托勒密關(guān)于眼睛發(fā)出光線才能看到物體的學(xué)說，認為光線是太陽或發(fā)光體發(fā)出光線才能看到物體的學(xué)說，認為光線是太陽或發(fā)光體發(fā)出并照射到物體上，眼睛接收到這些光線才看到物體。他對并照射到物體上，眼睛接收到這些光線才看到物體。他對反射定律作了進一步的研究，指出入射線、反射線、法線反射定律作了進一步的研究，指出入射線、反射線、法線都在同一平面。都在同一平面。 英國的羅杰培根發(fā)明了暗室。他描述了光的反英國的羅杰培根發(fā)明了暗室。他描述了光的反射定律和折射現(xiàn)象，研究了球面鏡

32、的像差。用光的折射解射定律和折射現(xiàn)象，研究了球面鏡的像差。用光的折射解釋了虹的成因，提出了用透鏡校正視力和用透鏡組構(gòu)成望釋了虹的成因，提出了用透鏡校正視力和用透鏡組構(gòu)成望遠鏡的可能性。遠鏡的可能性。19 4.關(guān)于其它物理學(xué)知識關(guān)于其它物理學(xué)知識 盧克萊修用原子論對磁石吸鐵進行解釋，認為盧克萊修用原子論對磁石吸鐵進行解釋，認為磁體發(fā)射出細微粒子流，撞擊、驅(qū)散磁石和鐵之磁體發(fā)射出細微粒子流，撞擊、驅(qū)散磁石和鐵之間的空氣，形成了真空，鐵原子力求進入真空，間的空氣，形成了真空，鐵原子力求進入真空，因而表現(xiàn)出吸引。其它物體如金和木具有特殊結(jié)因而表現(xiàn)出吸引。其它物體如金和木具有特殊結(jié)構(gòu)，故不能被吸引。皮埃

33、爾德馬里古特認識構(gòu)，故不能被吸引。皮埃爾德馬里古特認識到，磁針斷為兩截，每一截又變成磁針異性磁極到，磁針斷為兩截，每一截又變成磁針異性磁極相吸、同性磁極相斥；鐵與磁石摩擦可以磁化。相吸、同性磁極相斥；鐵與磁石摩擦可以磁化。 關(guān)于熱現(xiàn)象，亞里士多德把熱看成是物質(zhì)元關(guān)于熱現(xiàn)象，亞里士多德把熱看成是物質(zhì)元素的基本性質(zhì)。原子論者認為熱是物質(zhì)流引起的，素的基本性質(zhì)。原子論者認為熱是物質(zhì)流引起的，把火看作是由最輕、最滑、最活潑的粒子組成的。把火看作是由最輕、最滑、最活潑的粒子組成的。20 關(guān)于聲，亞里士多德把聲音看作一種運動，認為關(guān)于聲，亞里士多德把聲音看作一種運動，認為發(fā)聲的物體碰撞空氣使之在各方向發(fā)生

34、拉伸和壓縮運動，發(fā)聲的物體碰撞空氣使之在各方向發(fā)生拉伸和壓縮運動，從而發(fā)生傳播，當(dāng)碰到障礙時就象小球被反射一樣產(chǎn)生從而發(fā)生傳播，當(dāng)碰到障礙時就象小球被反射一樣產(chǎn)生回聲?；芈?。 總而言之，從古代到總而言之，從古代到1515世紀，中國和西方關(guān)于世紀，中國和西方關(guān)于對自然界物理現(xiàn)象的認識，既缺乏系統(tǒng)的科學(xué)實驗，也對自然界物理現(xiàn)象的認識，既缺乏系統(tǒng)的科學(xué)實驗，也未形成完備的科學(xué)理論體系，基本上處于對自然的有限未形成完備的科學(xué)理論體系，基本上處于對自然的有限觀察和零星的記載階段。一些物理現(xiàn)象的理論解釋也受觀察和零星的記載階段。一些物理現(xiàn)象的理論解釋也受到局限，許多甚至是錯誤的，物理學(xué)在技術(shù)上的應(yīng)用水到局

35、限，許多甚至是錯誤的，物理學(xué)在技術(shù)上的應(yīng)用水平也是很低的，平也是很低的，物理學(xué)仍屬于哲學(xué)的范疇物理學(xué)仍屬于哲學(xué)的范疇。盡管如此，。盡管如此，古代物理學(xué)思想和一些思維方式對后來物理學(xué)新體系的古代物理學(xué)思想和一些思維方式對后來物理學(xué)新體系的建立和發(fā)展的影響仍然是非常重要的。建立和發(fā)展的影響仍然是非常重要的。21 1.2 科學(xué)革命和科學(xué)觀的形成科學(xué)革命和科學(xué)觀的形成1 . 2 . 1 . 歐 洲 文 藝 復(fù) 興 運 動歐 洲 文 藝 復(fù) 興 運 動 文藝復(fù)興文藝復(fù)興是是1414世紀中葉到世紀中葉到1717世紀初發(fā)生在歐洲的偉大世紀初發(fā)生在歐洲的偉大的思想解放、藝術(shù)創(chuàng)造、科學(xué)發(fā)現(xiàn)運動。的思想解放、藝術(shù)

36、創(chuàng)造、科學(xué)發(fā)現(xiàn)運動?！拔乃噺?fù)興文藝復(fù)興”一詞，意指古代燦爛的文化在經(jīng)歷長期的衰落和沉寂之一詞，意指古代燦爛的文化在經(jīng)歷長期的衰落和沉寂之后，現(xiàn)在又得到復(fù)興。文藝復(fù)興的指導(dǎo)思想是人文主義后，現(xiàn)在又得到復(fù)興。文藝復(fù)興的指導(dǎo)思想是人文主義或人本主義，這是從神的世界回到人的世界的一種資產(chǎn)或人本主義，這是從神的世界回到人的世界的一種資產(chǎn)階級價值觀。英國哲學(xué)家富蘭西斯階級價值觀。英國哲學(xué)家富蘭西斯培根提出了培根提出了“知識就知識就是力量是力量”的口號，并且指出科學(xué)的目的就是要用新發(fā)明的口號，并且指出科學(xué)的目的就是要用新發(fā)明和和新發(fā)現(xiàn)來改善人類的生活。恩格斯所說：新發(fā)現(xiàn)來改善人類的生活。恩格斯所說：“這是一

37、次人類從來沒有經(jīng)歷過的最偉大、這是一次人類從來沒有經(jīng)歷過的最偉大、進步的變革，是一個需要巨人而且產(chǎn)生了進步的變革，是一個需要巨人而且產(chǎn)生了巨人巨人在思維能力、熱情和性格方面，在思維能力、熱情和性格方面，在多才多藝和學(xué)習(xí)博學(xué)方面的巨人的時在多才多藝和學(xué)習(xí)博學(xué)方面的巨人的時代代” 。 富蘭西斯培根(Francis Bacon,1561-1626)22 達達芬奇是這些巨人中的杰出代表。他是一個多才多芬奇是這些巨人中的杰出代表。他是一個多才多藝的天才，藝的天才，最后的晚餐最后的晚餐蒙娜麗沙蒙娜麗沙等繪畫作品千古等繪畫作品千古不朽。他不僅是畫家、雕刻家、音樂家，而且是哲學(xué)家、不朽。他不僅是畫家、雕刻家、

38、音樂家，而且是哲學(xué)家、工程師、物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、生物學(xué)家。他在物理學(xué)上的工程師、物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、生物學(xué)家。他在物理學(xué)上的成就：初步表述了慣性原理；研究過材料的強度；研究了成就：初步表述了慣性原理；研究過材料的強度；研究了拋體運動（彈道）、單擺運動，提出了運動合成概念；證拋體運動（彈道）、單擺運動，提出了運動合成概念；證明了杠桿原理；重新發(fā)現(xiàn)了阿基米德的液體壓力概念，提明了杠桿原理；重新發(fā)現(xiàn)了阿基米德的液體壓力概念，提出了連通器原理，研究過液體的流動；認識到光有類似于出了連通器原理，研究過液體的流動；認識到光有類似于水波和空氣中波的波動特點；通過繪畫，研究過光和影的水波和空氣中波的波動特點；通

39、過繪畫，研究過光和影的規(guī)律、眼睛的構(gòu)造并說明了視網(wǎng)膜上像形規(guī)律、眼睛的構(gòu)造并說明了視網(wǎng)膜上像形成的原因。研究過水力、熱力動力機械并成的原因。研究過水力、熱力動力機械并試圖從減少摩擦和部件磨損來提高機械效試圖從減少摩擦和部件磨損來提高機械效率；設(shè)計過永動機并得出永動機不可實現(xiàn)率；設(shè)計過永動機并得出永動機不可實現(xiàn)的結(jié)論的結(jié)論達芬奇（Leonardo da Vinci,1452-1519）23 總之，總之，文藝復(fù)興運動的意義文藝復(fù)興運動的意義在于，在政治、文化、在于，在政治、文化、科學(xué)等各個領(lǐng)域引起了前所未有的思想大解放，徹底動科學(xué)等各個領(lǐng)域引起了前所未有的思想大解放，徹底動搖了封建制度和神權(quán)統(tǒng)治的

40、根基，給世界留下了一大批搖了封建制度和神權(quán)統(tǒng)治的根基，給世界留下了一大批文學(xué)、藝術(shù)、科學(xué)、政治理論成果與精神財富，為近代文學(xué)、藝術(shù)、科學(xué)、政治理論成果與精神財富，為近代科學(xué)的興起和新科學(xué)觀的誕生奠定了基礎(chǔ)科學(xué)的興起和新科學(xué)觀的誕生奠定了基礎(chǔ)。1.2.2 科學(xué)革命科學(xué)革命 真正的科學(xué)革命是從波蘭天文學(xué)家哥白尼否定地心真正的科學(xué)革命是從波蘭天文學(xué)家哥白尼否定地心說、提出日心說開始突破的。中世紀的教會把上帝創(chuàng)造說、提出日心說開始突破的。中世紀的教會把上帝創(chuàng)造世界及與之適應(yīng)的地心說奉為不可違反的教條世界及與之適應(yīng)的地心說奉為不可違反的教條。 哥白尼（Nikolaus Copernicus,1473-1

41、543） 哥白尼詳細分析了有關(guān)行星運動的大量哥白尼詳細分析了有關(guān)行星運動的大量資料，經(jīng)過許多年的觀測和計算，最終完資料，經(jīng)過許多年的觀測和計算，最終完成了科學(xué)巨著成了科學(xué)巨著天體運行論天體運行論，提出了以，提出了以太陽為中心的宇宙結(jié)構(gòu)體系，推翻了主宰太陽為中心的宇宙結(jié)構(gòu)體系，推翻了主宰西方思想長達千余年的托勒密的地心說西方思想長達千余年的托勒密的地心說。 24 布魯諾又揚棄了太陽是宇宙中心的觀點，認為宇宙是布魯諾又揚棄了太陽是宇宙中心的觀點，認為宇宙是無限的，在太陽系外還有無數(shù)的世界。他的觀點更加有力無限的，在太陽系外還有無數(shù)的世界。他的觀點更加有力地沖擊了關(guān)于宇宙有限、地球中心的宗教教義。地

42、沖擊了關(guān)于宇宙有限、地球中心的宗教教義。 哥白尼的日心說假定行星都在軌道上做圓周運動。哥白尼的日心說假定行星都在軌道上做圓周運動。丹麥天文學(xué)家第谷經(jīng)過丹麥天文學(xué)家第谷經(jīng)過2121年的艱苦觀測，記錄了行星位置，年的艱苦觀測，記錄了行星位置，得到了詳細而精確的數(shù)據(jù)。當(dāng)他用數(shù)據(jù)去擬合哥白尼學(xué)說得到了詳細而精確的數(shù)據(jù)。當(dāng)他用數(shù)據(jù)去擬合哥白尼學(xué)說時，發(fā)現(xiàn)日心說中的行星圓軌道模型只是粗略近似。第谷時，發(fā)現(xiàn)日心說中的行星圓軌道模型只是粗略近似。第谷的學(xué)生、德國天文學(xué)家開普勒擺脫了的學(xué)生、德國天文學(xué)家開普勒擺脫了“勻速圓周運動勻速圓周運動”觀觀念，經(jīng)歷了長達念，經(jīng)歷了長達1717年的研究，終于從第谷浩繁的數(shù)據(jù)

43、中發(fā)年的研究，終于從第谷浩繁的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)并歸納出現(xiàn)并歸納出行星運動三大定律行星運動三大定律： 圖1-2-1（1）行星做橢圓軌道運動，太行星做橢圓軌道運動，太陽位于橢圓的一個焦點上；（陽位于橢圓的一個焦點上；（2 2）太陽到行星的矢徑在相同時間內(nèi)太陽到行星的矢徑在相同時間內(nèi)掃過相等的面積（掃過相等的面積（如圖1-2-1）25 （3 3）行星繞太陽的運動周期的平方正比于它繞太陽的）行星繞太陽的運動周期的平方正比于它繞太陽的圓軌道的半長軸圓軌道的半長軸a a的立方即的立方即T2/a3=T2/a3=常數(shù)。開普勒定律對后常數(shù)。開普勒定律對后來牛頓的萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)具有奠基性作用。來牛頓的萬有引力定律的

44、發(fā)現(xiàn)具有奠基性作用。 16321632年，意大利科學(xué)家伽利略的巨著年，意大利科學(xué)家伽利略的巨著關(guān)于托勒密關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話和哥白尼兩大世界體系的對話對哥白尼學(xué)說進行了理性對哥白尼學(xué)說進行了理性論證。伽利略宣傳哥白尼學(xué)說、抨擊托勒密體系和經(jīng)院哲論證。伽利略宣傳哥白尼學(xué)說、抨擊托勒密體系和經(jīng)院哲學(xué)，曾受到教會的迫害。后來伽利略又繼續(xù)力學(xué)的研究工學(xué)，曾受到教會的迫害。后來伽利略又繼續(xù)力學(xué)的研究工作，秘密出版了作，秘密出版了關(guān)于力學(xué)和局部運動兩門新學(xué)科的談話關(guān)于力學(xué)和局部運動兩門新學(xué)科的談話和數(shù)學(xué)證明和數(shù)學(xué)證明一書。伽利略為以后牛頓力學(xué)的建立鋪平了一書。伽利略為以后牛頓力學(xué)的建立鋪平

45、了道路。道路。 總之，科學(xué)革命的實質(zhì)是思想大革命?？茖W(xué)革命使科總之，科學(xué)革命的實質(zhì)是思想大革命?？茖W(xué)革命使科學(xué)從服從于經(jīng)院哲學(xué)和神學(xué)的束縛中解放了出來，也使自學(xué)從服從于經(jīng)院哲學(xué)和神學(xué)的束縛中解放了出來，也使自然科學(xué)從自然哲學(xué)中分化并走上獨立發(fā)展的道路進而逐漸然科學(xué)從自然哲學(xué)中分化并走上獨立發(fā)展的道路進而逐漸形成系統(tǒng)的學(xué)科體系。從哥白尼的日心說開始到后來牛頓形成系統(tǒng)的學(xué)科體系。從哥白尼的日心說開始到后來牛頓力學(xué)體系的建立標(biāo)志著第一次科學(xué)革命的完成力學(xué)體系的建立標(biāo)志著第一次科學(xué)革命的完成。 261.2.3 科學(xué)觀的形成科學(xué)觀的形成 科學(xué)觀涉及到人們對自然的看法、對科學(xué)本質(zhì)的理解以及科學(xué)科學(xué)觀涉及到

46、人們對自然的看法、對科學(xué)本質(zhì)的理解以及科學(xué)研究的態(tài)度、思維和方法。研究的態(tài)度、思維和方法。 科學(xué)研究方法是科學(xué)觀的一個重要方面，它指導(dǎo)人們?nèi)绾握J識科學(xué)研究方法是科學(xué)觀的一個重要方面，它指導(dǎo)人們?nèi)绾握J識自然并掌握自然規(guī)律。弗蘭西斯自然并掌握自然規(guī)律。弗蘭西斯培根是最早倡導(dǎo)新科學(xué)方法的人培根是最早倡導(dǎo)新科學(xué)方法的人之一。他認為，一切知識來源于感覺，科學(xué)在整理感性材料時，用之一。他認為，一切知識來源于感覺，科學(xué)在整理感性材料時，用的是觀察、實驗、歸納、分析、比較的理性方法，經(jīng)驗、實驗是真的是觀察、實驗、歸納、分析、比較的理性方法，經(jīng)驗、實驗是真理的來源和檢驗標(biāo)準，利用一定的儀器有程序地進行的實驗才是

47、科理的來源和檢驗標(biāo)準，利用一定的儀器有程序地進行的實驗才是科學(xué)知識的源泉。笛卡兒也認為實驗可以提供學(xué)知識的源泉。笛卡兒也認為實驗可以提供“原始前提的必要素原始前提的必要素材材”，還能檢驗結(jié)論的正確性。伽利略同樣強調(diào)，人們必須通過實，還能檢驗結(jié)論的正確性。伽利略同樣強調(diào)，人們必須通過實驗去閱讀驗去閱讀“自然之書自然之書”。當(dāng)時的科學(xué)家不僅強調(diào)了經(jīng)驗、實驗在認。當(dāng)時的科學(xué)家不僅強調(diào)了經(jīng)驗、實驗在認識中的作用，而且還開始對實驗方法進行研究。系統(tǒng)的實驗研究方識中的作用，而且還開始對實驗方法進行研究。系統(tǒng)的實驗研究方法是把對自然的研究變?yōu)檎嬲目茖W(xué)的重要標(biāo)志。實際上，物理學(xué)法是把對自然的研究變?yōu)檎嬲目?/p>

48、學(xué)的重要標(biāo)志。實際上，物理學(xué)在本質(zhì)上就是一門實驗學(xué)科在本質(zhì)上就是一門實驗學(xué)科。27 根據(jù)獲得的經(jīng)驗和實驗資料建立科學(xué)理論體系，還必根據(jù)獲得的經(jīng)驗和實驗資料建立科學(xué)理論體系，還必須進行理論概括。培根提出了經(jīng)驗歸納法即從大量的個別須進行理論概括。培根提出了經(jīng)驗歸納法即從大量的個別經(jīng)驗事實中概括出一般原理的方法，還提出了正確歸納的經(jīng)驗事實中概括出一般原理的方法，還提出了正確歸納的步驟即列舉正面和反面事例、提出假說、通過實驗進行選步驟即列舉正面和反面事例、提出假說、通過實驗進行選擇修正、最后得出科學(xué)結(jié)論。培根對假說不夠重視，認為擇修正、最后得出科學(xué)結(jié)論。培根對假說不夠重視，認為只要對資料進行系統(tǒng)整理，

49、正確的假說就會自然顯現(xiàn)出來。只要對資料進行系統(tǒng)整理，正確的假說就會自然顯現(xiàn)出來。實際上并非如此簡單，所以他的歸納法有明顯缺陷，但是實際上并非如此簡單，所以他的歸納法有明顯缺陷，但是其方法論思想具有深遠意義。其方法論思想具有深遠意義。 笛卡兒則不同，他更強調(diào)理論思維即理性，把理論笛卡兒則不同，他更強調(diào)理論思維即理性，把理論思維作為知識的出發(fā)點。他認為一切科學(xué)都應(yīng)該按照數(shù)學(xué)思維作為知識的出發(fā)點。他認為一切科學(xué)都應(yīng)該按照數(shù)學(xué)形式建立起來，從明晰的原理出發(fā)并通過邏輯途徑和數(shù)學(xué)形式建立起來，從明晰的原理出發(fā)并通過邏輯途徑和數(shù)學(xué)方法進行論證，就可以得出科學(xué)結(jié)論，而實驗只具有檢驗方法進行論證，就可以得出科學(xué)

50、結(jié)論，而實驗只具有檢驗理論結(jié)果的作用。笛卡兒的唯理論方法也是有缺點的，它理論結(jié)果的作用。笛卡兒的唯理論方法也是有缺點的，它忽視了實驗和經(jīng)驗的作用，培根的經(jīng)驗歸納法不了解數(shù)學(xué)忽視了實驗和經(jīng)驗的作用，培根的經(jīng)驗歸納法不了解數(shù)學(xué)的作用，兩者的相互補充是近代科學(xué)新方法論的基礎(chǔ)。的作用，兩者的相互補充是近代科學(xué)新方法論的基礎(chǔ)。28 真正代表近代科學(xué)新方法論精神的是伽利略和牛頓。真正代表近代科學(xué)新方法論精神的是伽利略和牛頓。 實驗實驗和數(shù)學(xué)演繹相結(jié)合的方法到了伽利略之和數(shù)學(xué)演繹相結(jié)合的方法到了伽利略之后已經(jīng)成熟。伽利略開創(chuàng)的近代科學(xué)研究方法可后已經(jīng)成熟。伽利略開創(chuàng)的近代科學(xué)研究方法可概括為：概括為：對自然

51、現(xiàn)象進行觀測，總結(jié)出規(guī)律；提對自然現(xiàn)象進行觀測，總結(jié)出規(guī)律；提出理論假設(shè)，解釋實驗現(xiàn)象；利用數(shù)學(xué)和邏輯得出理論假設(shè)，解釋實驗現(xiàn)象；利用數(shù)學(xué)和邏輯得到推論；對推論進行客觀、可重復(fù)、精確定量的到推論；對推論進行客觀、可重復(fù)、精確定量的實驗檢驗；修改理論及假設(shè)；實驗檢驗理論及假實驗檢驗；修改理論及假設(shè)；實驗檢驗理論及假設(shè)；設(shè)；。這種嚴謹?shù)姆椒ㄋ贸龅慕Y(jié)論建立在這種嚴謹?shù)姆椒ㄋ贸龅慕Y(jié)論建立在強有力的實驗基礎(chǔ)之上，因而是可靠的。他所倡強有力的實驗基礎(chǔ)之上，因而是可靠的。他所倡導(dǎo)的這種理論和實驗結(jié)合的科學(xué)研究方法至今仍導(dǎo)的這種理論和實驗結(jié)合的科學(xué)研究方法至今仍是自然科學(xué)家所遵循的研究準則。是自然科學(xué)家所

52、遵循的研究準則。29 1.3 經(jīng)典物理學(xué)體系的建立經(jīng)典物理學(xué)體系的建立 文藝復(fù)興運動和科學(xué)革命使人的思想得到了解放，資文藝復(fù)興運動和科學(xué)革命使人的思想得到了解放，資本主義的發(fā)展為科學(xué)研究提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。在此歷史環(huán)本主義的發(fā)展為科學(xué)研究提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。在此歷史環(huán)境下，誕生了近代自然科學(xué)。牛頓力學(xué)的建立，完成了境下，誕生了近代自然科學(xué)。牛頓力學(xué)的建立，完成了人類歷史上第文一次自然科學(xué)大統(tǒng)一，標(biāo)志著經(jīng)典物理人類歷史上第文一次自然科學(xué)大統(tǒng)一，標(biāo)志著經(jīng)典物理學(xué)理論體系正在形成。經(jīng)典物理學(xué)理論有三大支柱即牛學(xué)理論體系正在形成。經(jīng)典物理學(xué)理論有三大支柱即牛頓的經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計物理和經(jīng)典電磁學(xué)理論頓的經(jīng)

53、典力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計物理和經(jīng)典電磁學(xué)理論（包括光學(xué)）。（包括光學(xué)）。1.3.1 經(jīng)典力學(xué)體系經(jīng)典力學(xué)體系 牛頓（Isaac Newton,1642-1727） 1.伽利略伽利略近代力學(xué)的奠基人近代力學(xué)的奠基人 伽利略被科學(xué)界譽為近代力學(xué)的奠基人。伽利伽利略被科學(xué)界譽為近代力學(xué)的奠基人。伽利略的兩部著作略的兩部著作關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話系的對話和和關(guān)于力學(xué)和局部運動兩門新學(xué)科關(guān)于力學(xué)和局部運動兩門新學(xué)科的談話和數(shù)學(xué)證明的談話和數(shù)學(xué)證明（兩門新學(xué)科指材料力學(xué)和（兩門新學(xué)科指材料力學(xué)和運動學(xué)），為力學(xué)的發(fā)展打下了思想基礎(chǔ)。運動學(xué)），為力學(xué)的發(fā)展打下了思想基礎(chǔ)

54、。 30 在力學(xué)研究中，伽利略既涉及到靜力學(xué)在力學(xué)研究中，伽利略既涉及到靜力學(xué)，也深入到運動學(xué)和動力學(xué)。他研究過物，也深入到運動學(xué)和動力學(xué)。他研究過物體的重心和平衡，研究過材料強度，利用體的重心和平衡，研究過材料強度，利用浮力定律制作過靜力學(xué)天平，等等。然而浮力定律制作過靜力學(xué)天平，等等。然而更重要的是運動學(xué)和動力學(xué)的研究成就，更重要的是運動學(xué)和動力學(xué)的研究成就，他發(fā)現(xiàn)了擺的等時性，研究了自由落體運他發(fā)現(xiàn)了擺的等時性，研究了自由落體運動和拋體運動規(guī)律，研究過物體的慣性，動和拋體運動規(guī)律，研究過物體的慣性，區(qū)分了速度和加速度概念。區(qū)分了速度和加速度概念。伽利略（Galileo Galilei,1

55、564-1642） 關(guān)于物體的運動，亞里士多德曾把運動分為強迫運關(guān)于物體的運動，亞里士多德曾把運動分為強迫運動和自然運動。伽利略認為不能把運動分為自然運動和動和自然運動。伽利略認為不能把運動分為自然運動和強迫運動，應(yīng)當(dāng)根據(jù)運動的基本特征即速度進行分類，強迫運動，應(yīng)當(dāng)根據(jù)運動的基本特征即速度進行分類，由此提出了勻速運動和變速運動的分類方法。他首先定由此提出了勻速運動和變速運動的分類方法。他首先定義了勻速運動是指任何相等的時間間隔內(nèi)通過相等的距義了勻速運動是指任何相等的時間間隔內(nèi)通過相等的距離，進而給出了瞬時速度的概念即物體在給定時刻的速離，進而給出了瞬時速度的概念即物體在給定時刻的速度度31 伽

56、利略從落體運動的研究出發(fā)來研究變速運動，并伽利略從落體運動的研究出發(fā)來研究變速運動，并假定落體運動是勻加速運動。他對勻加速運動給出了這假定落體運動是勻加速運動。他對勻加速運動給出了這樣定義，若一物體從靜止出發(fā)，并且在相等的時間間隔樣定義，若一物體從靜止出發(fā)，并且在相等的時間間隔內(nèi)獲得相等的速度增量，則稱之為勻加速運動。內(nèi)獲得相等的速度增量，則稱之為勻加速運動。 自由落體運動是否是勻加速運動？他認為要通過實自由落體運動是否是勻加速運動？他認為要通過實驗來檢驗。他設(shè)計了著名的斜面實驗，因為斜面上的運驗來檢驗。他設(shè)計了著名的斜面實驗，因為斜面上的運動慢得多，便于測量。斜面實驗的結(jié)論可以推廣到豎直動慢

57、得多，便于測量。斜面實驗的結(jié)論可以推廣到豎直的自由落體運動（斜面坡度達到的自由落體運動（斜面坡度達到9090度的極限情況）。由度的極限情況）。由此得出，自由落體運動就是勻加速運動，從同一高度自此得出，自由落體運動就是勻加速運動，從同一高度自由下落的物體，不論其重量如何，必然同時落地。他由由下落的物體，不論其重量如何，必然同時落地。他由斜面運動提出了加速度概念。傳說伽利略曾經(jīng)在比薩斜斜面運動提出了加速度概念。傳說伽利略曾經(jīng)在比薩斜塔上做過實驗，證實了落體加速度與物體重量無關(guān)的結(jié)塔上做過實驗，證實了落體加速度與物體重量無關(guān)的結(jié)論。有人說，他用大小相同而重量不同的的鐵球和木球論。有人說，他用大小相同

58、而重量不同的的鐵球和木球同時放下，觀眾看到兩球同時落地，但歷史考證對該傳同時放下，觀眾看到兩球同時落地，但歷史考證對該傳說存疑。說存疑。32 伽利略在他的著作中所形成的慣性思想，為后來牛頓定律的建伽利略在他的著作中所形成的慣性思想，為后來牛頓定律的建立和慣性概念的引入開辟了道路。他曾設(shè)計了斜面對接的理想實驗立和慣性概念的引入開辟了道路。他曾設(shè)計了斜面對接的理想實驗（圖（圖1-3-11-3-1）。小硬球從光滑斜面的某一高度下落到底部再沿對接）。小硬球從光滑斜面的某一高度下落到底部再沿對接的斜面上升將達到同意一水平高度。對接斜面越平緩，上升到原高的斜面上升將達到同意一水平高度。對接斜面越平緩，上升

59、到原高度的時間越長。當(dāng)對接斜面過渡到坡度為零的水平面時，伽利略得度的時間越長。當(dāng)對接斜面過渡到坡度為零的水平面時，伽利略得出結(jié)論說，小球?qū)⒁院愕亩ㄋ俣龋▌蛩伲┯肋h運動下去。這就是伽出結(jié)論說，小球?qū)⒁院愕亩ㄋ俣龋▌蛩伲┯肋h運動下去。這就是伽利略關(guān)于慣性的思想。笛卡兒則比較完整地表述了慣性原理。他指利略關(guān)于慣性的思想。笛卡兒則比較完整地表述了慣性原理。他指出，除非物體受到外因的作用，物體將永遠保持靜止或勻速運動狀出，除非物體受到外因的作用，物體將永遠保持靜止或勻速運動狀態(tài)，慣性運動的物體永遠不會使自己趨向曲線運動。笛卡兒的表述態(tài)，慣性運動的物體永遠不會使自己趨向曲線運動。笛卡兒的表述對對牛頓的綜合

60、工作有深遠的影響對對牛頓的綜合工作有深遠的影響。圖1-3-1 伽利略研究了拋體運動，把拋伽利略研究了拋體運動，把拋體運動看成是物體在水平方向的勻體運動看成是物體在水平方向的勻速運動和豎直方向的勻加速運動的速運動和豎直方向的勻加速運動的合成，而且兩種運動互不影響，這合成，而且兩種運動互不影響，這是關(guān)于運動疊加或合成的原理。是關(guān)于運動疊加或合成的原理。 33 他用運動合成的觀點論述了運動的相對性：在一個封閉的做勻他用運動合成的觀點論述了運動的相對性：在一個封閉的做勻速運動的平穩(wěn)的船艙里，由于一切物體都參與了船的勻速運動，因速運動的平穩(wěn)的船艙里，由于一切物體都參與了船的勻速運動，因此各物體的相對運動

61、關(guān)系保持不變。從桅桿上掉下的物體仍然會落此各物體的相對運動關(guān)系保持不變。從桅桿上掉下的物體仍然會落到桅桿腳下，不會因船的運動而落到桅桿后面，人跳向船尾不會比到桅桿腳下，不會因船的運動而落到桅桿后面，人跳向船尾不會比跳向船頭來得遠，人們感覺不到船在運動。這就是我們今日所稱的跳向船頭來得遠，人們感覺不到船在運動。這就是我們今日所稱的力學(xué)相對性原理或伽利略相對性原理。這個原理的發(fā)現(xiàn)是人類科學(xué)力學(xué)相對性原理或伽利略相對性原理。這個原理的發(fā)現(xiàn)是人類科學(xué)認識史上的一個重大飛躍。認識史上的一個重大飛躍。 2碰撞的研究及碰撞的研究及“活力活力” 在力學(xué)體系形成過程中，碰撞是一個重要研究課題。最早建立在力學(xué)體系

62、形成過程中，碰撞是一個重要研究課題。最早建立碰撞理論的是笛卡兒，他在碰撞理論的是笛卡兒，他在哲學(xué)原理哲學(xué)原理一書中肯定了運動量就是一書中肯定了運動量就是物質(zhì)的量和速度的乘積，只是當(dāng)時還沒有建立物質(zhì)的量和速度的乘積，只是當(dāng)時還沒有建立“質(zhì)量質(zhì)量”的概念，也的概念，也就無法寫出動量的表達式。他還總結(jié)了就無法寫出動量的表達式。他還總結(jié)了7 7條碰撞規(guī)律，但由于缺乏條碰撞規(guī)律，但由于缺乏對動量矢量性的了解，對動量矢量性的了解，7 7條規(guī)律只有兩條正確。這兩條規(guī)律描述了條規(guī)律只有兩條正確。這兩條規(guī)律描述了動量傳遞的思想動量傳遞的思想。 34 荷蘭物理學(xué)家惠更斯從荷蘭物理學(xué)家惠更斯從16521652年開始

63、研究彈性物體的碰撞，發(fā)現(xiàn)年開始研究彈性物體的碰撞，發(fā)現(xiàn)了動量守恒和彈性碰撞機械能守恒的規(guī)律，并且明確地指出了動量了動量守恒和彈性碰撞機械能守恒的規(guī)律，并且明確地指出了動量的方向性。認為的方向性。認為“在兩個物體的碰撞中，大的程度與速度的平方乘在兩個物體的碰撞中，大的程度與速度的平方乘積的總和保持不變積的總和保持不變”，“大的程度大的程度”即后來質(zhì)量概念，這里第一次即后來質(zhì)量概念，這里第一次提到提到mvmv2 2這個量。碰撞的研究也為建立作用力和反作用力定律準備這個量。碰撞的研究也為建立作用力和反作用力定律準備了一定的條件。了一定的條件。 17-1817-18世紀，世紀，“力力”的概念還不完全清

64、晰，人們從不同的意義的概念還不完全清晰，人們從不同的意義上使用這個概念描述了力的各種效應(yīng)，從而引起了關(guān)于上使用這個概念描述了力的各種效應(yīng)，從而引起了關(guān)于“運動量運動量”或或“力力”的量度的一場爭論。笛卡兒學(xué)派主張以的量度的一場爭論。笛卡兒學(xué)派主張以mvmv量度運動量或力。量度運動量或力。而德國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家萊布尼茲則引進而德國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家萊布尼茲則引進“活力活力”的概念，主張用的概念，主張用mvmv2 2（后來變成（后來變成 mvmv2 2/2/2即動能）對與運動量或力進行量度，認為宇宙即動能）對與運動量或力進行量度，認為宇宙中中“活力守恒活力守恒”，且發(fā)現(xiàn)力和路程的乘積（實際上是功）與

65、活力成，且發(fā)現(xiàn)力和路程的乘積（實際上是功）與活力成正比。正比?！盎盍κ睾慊盍κ睾恪币逊浅＝咏鼨C械能守恒原理。以后研究表明已非常接近機械能守恒原理。以后研究表明，動量和動能是從不同的角度衡量機械運動量的兩物理量。動量和動能是從不同的角度衡量機械運動量的兩物理量。35 3.萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的發(fā)現(xiàn) 萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)是牛頓從運動現(xiàn)象研究自然力的萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)是牛頓從運動現(xiàn)象研究自然力的一個輝煌的范例。牛頓根據(jù)向心力公式和開普勒定律得出一個輝煌的范例。牛頓根據(jù)向心力公式和開普勒定律得出行星受中心力吸引作用、該吸引力與半徑的平方成反比。行星受中心力吸引作用、該吸引力與半徑的平方成反比。

66、還指出還指出“這些指向物體的力應(yīng)與物體的性質(zhì)和量有關(guān)這些指向物體的力應(yīng)與物體的性質(zhì)和量有關(guān)”， 從 而 把 質(zhì) 量 引 進 到 萬 有 引 力 定 律 。從 而 把 質(zhì) 量 引 進 到 萬 有 引 力 定 律 。 還有許多人為萬有定律作出過貢獻。笛卡兒認為宇還有許多人為萬有定律作出過貢獻。笛卡兒認為宇宙空間充滿了宙空間充滿了“以太以太” ” ，以太圍繞天體形成旋渦運動，以太圍繞天體形成旋渦運動，帶動天體（如太陽）周圍的物體（如行星）轉(zhuǎn)動，旋渦壓帶動天體（如太陽）周圍的物體（如行星）轉(zhuǎn)動，旋渦壓力卷吸著周圍物體趨向中心物體表現(xiàn)出引力現(xiàn)象。力卷吸著周圍物體趨向中心物體表現(xiàn)出引力現(xiàn)象。16451645年，年，法國布里阿德假設(shè)法國布里阿德假設(shè)“從太陽發(fā)出的力和離太陽距離的平方從太陽發(fā)出的力和離太陽距離的平方成反比成反比”。16661666年，比薩大學(xué)玻列利提出，引力是距離的年，比薩大學(xué)玻列利提出，引力是距離的冪的函數(shù)。英國的胡克于冪的函數(shù)。英國的胡克于16801680年提出引力反比于距離的平年提出引力反比于距離的平方的猜測。哈雷和倫恩在方的猜測。哈雷和倫恩在16791679年按圓形軌道和開普勒