第四章17世纪物理学的发展7929.docx

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1、第四章 17世纪物理学的发展哥白尼学说几乎被所有的新兴科学家一致接受，教会的迫害反而使真理的声音广为传播，伽利略方法广泛受到欢迎，大批实验室和科学家涌现。如：法国的笛卡儿、费马、帕斯卡、马略特意大利的托托里拆利利荷兰的惠更更斯德国的莱布布尼兹英国的玻意意耳、胡胡克、哈哈雷等而在众多的的科学家家中，当当时大体体上分为为两大类类，一类类是主要要从事实实验，崇崇尚实验验归纳方方法。例例如：帕帕斯卡、马马略特、胡胡克等，他他们大都都十分强强调实验验的意义义，但不不重视数数学和推推理。另另一类是是以笛卡卡儿、费费马和莱莱布尼兹兹为代表表，崇尚尚理性演演绎，在在数学上上都有相相当的成成就。而而把实验验和理

2、论论两方面面结合得得较好，因因而成就就比较突突出的人人物，就就是介于于伽利略略和牛顿顿之间的的科学家家惠更更斯。总之，177世纪是是一个伟伟大的实实验以及及理论活活动的时时期。4.1 力学我们着重介介绍笛卡卡儿、胡胡克、惠惠更斯和和牛顿的的主要成成就。一、笛卡儿儿（1559616650）和和胡克（11635517703）：（一）笛卡卡儿：1、哲学：笛卡儿在哲哲学上主主张二元元论，一一方面认认为物质质运动是是客观存存在的，另另一方面面又认为为精神也也是实体体。他主主张普遍遍怀疑，但但最后发发现“我在怀怀疑”这一事事实再也也不能怀怀疑了。于于是得出出“我思故故我在”的著名名论断。2、在自然然科学方

3、方面，他他的机械械宇宙观观，数学学演绎方方法和某某些物理理规律对对后来都都有较大大的影响响。笛卡卡儿认为为，物质质是由微微粒这一一唯一实实体构成成的。机机械运动动是物质质的唯一一运动形形式。他他否认真真空的存存在，认认为空间间中充满满旋涡状状运动的的微细物物质（以以太），天天体间的的作用就就靠这种种旋涡来来传播，而而不是超超距作用用。这些些观点，包包括旋涡涡说，近近距作用用和无真真空等等等，构成成机械论论宇宙观观。这些些是用力力学代替替神学对对宇宙作作出统一一解释的的第一次次尝试，对对于当时时及后来来的物理理思想的的发展起起了不小小影响。3、笛卡儿儿的方法法论对于于后来物物理学的的发展也也同样

4、重重要。他他创立了了数学演演绎法。创创立了解解析几何何学。解解析几何何学使变变数进入入了数学学，给物物理学的的研究方方法带来来了直接接的便利利（如图图解法，为为纪念笛笛卡儿而而命名的的直角坐坐标系）。可可以说，培培根的实实验法和和笛卡儿儿的数学学演绎法法，成为为近代物物理学方方法论的的两大源源泉。4、在力学学上的主主要贡献献：（1）明确确地叙述述了惯性性定律，他他在哲哲学原理理第二二章作了了如下表表述：只只要物体体开始运运动，就就将继续续以同一一速度并并沿同一一直线方方向运动动，直到到遇到某某种外来来原因造造成的阻阻碍或偏偏离为止止。（2）提出出动量守守恒定律律，即物物质与运运动的总总量永远远

5、保持不不变，笛笛卡儿是是从哲学学上来加加以论证证的。（3）碰撞撞定律：他对碰碰撞及离离心力进进行了初初步研究究，这些些研究成成果启发发了惠更更斯。（二）胡克克：胡克从16662年年起任皇皇家学会会实验主主持人，他他是实验验物理学学家、仪仪器设计计师。116788年，他他首次公公布了固固体弹性性定律：“有多大大的伸长长量，就就有多大大的力。”，后经改进才成为胡克定律的现代形式，胡克的实验技术精湛，物理思想活跃，涉及面除力学、热学外还有化学、生物和建筑等。但他不大重视数学，因而对很多重要问题往往不能贯彻到底，加上性格孤僻，好与人争，因此多疑寡欢，不善于与人合作公事，影响了才能的充分发挥。二、惠更斯

6、斯（16629年年16695年年）：惠更斯在力力学、数数学、光光学和天天文学方方面，是是伽利略略和牛顿顿之间的的一位重重要科学学家，自自幼就表表现出很很强的动动手能力力，133岁曾自自制一台台车床。在在阿基米米德著作作及笛卡卡儿的影影响下，又又勤奋地地学习力力学、天天文和数数学。他他的科学学活动的的特点是是善于把把实践活活动与理理论研究究结合起起来，透透彻地解解决问题题，在力力学方面面对碰撞撞、钟摆摆和向心心力等问问题有突突出的贡贡献。对对于天文文仪器的的设计制制作也很很擅长。116633年和116666年，他他先后被被选为英英国皇家家学会和和法国皇皇家学院院的第一一个国外外会员和和院士。在在

7、体弱多多病的情情况下，他他一心致致力于科科学事业业，终身身未婚。1、碰撞理理论：对碰撞问题题，伽利利略和笛笛卡儿等等人都研研究过。伦伦敦皇家家学会在在16668年16669年为为了解决决对心碰碰撞专门门进行了了悬赏征征文。结结果，建建筑师雷雷恩、数数学家沃沃里斯和和惠更斯斯三人获获奖，惠惠更斯的的结果最最细微最最全面，尽尽管只限限于完全全弹性碰碰撞。他他提出：（1）质量量相等而而方向相相反的二二物体正正碰后交交换速度度；在弹弹性碰撞撞中同方方向的动动量保持持不变。他他想象一一个人站站在以速速度作匀匀速运动动的船上上，用吊吊起的两两个相同同的钢球球作碰撞撞实验。对对船而言言，两球球以同样样的速度

8、度相接近近而碰撞撞，在碰碰撞后（对对船而言言）两球球将保持持碰撞前前的速度度而被弹弹开。这这个过程程对于站站在岸上上的人来来说两球球是以不不同的速速度和相向碰碰撞的，碰碰撞后两两球的速速度则分分别变为为和。于是是就可以以得出上上述结论论。惠更更斯还指指出，这这个情形形的特例例是：一一个静止止的球同同一个质质量相同同的球碰碰撞后，后后者立即即停止，而而原来静静止的球球则获得得这一个个速度前前进。（2）在完完全弹性性碰撞中中守恒，这这一原理理对他自自己后来来研究摆摆的理论论起了重重要作用用。2、摆的研研究：1656年年，惠更更斯首先先将摆引引入时钟钟，并在在16557、116588、16673年年

9、先后取取得了摆摆钟专利利，16673年年出版了了摆式式时钟或或用于时时钟上的的摆的运运动的几几何证明明，这这本书中中，他指指出了著著名的单单摆周期期公式：。其中中为单摆摆往或返返的时间间，即半半个周期期。根据据这一公公式，他他在巴黎黎用一个个周期为为2s 的单摆摆，精确确地测出出摆长，从从而计算算出重力力加速度度为9.2。他他还提出出了复摆摆的完整整理论，并并求出与与复摆振振动中心心有关的的17个个问题，这这是力学学上第一一次在给给定重力力场中求求解受约约束的质质点系的的问题。在在这些理理论问题题解决后后，他利利用摆线线理论改改进了摆摆钟的结结构与设设计，还还设计了了弹簧振振动（游游丝）代代替

10、挂摆摆的怀表表。另外，精密密摆钟的的发明和和广泛使使用，为为发现重重量和质质量两个个概念的的差异提提供了一一个条件件。16671年年，法国国的里切切尔到南南美附近近的卡因因岛作天天文观测测时，发发现他从从巴黎带带去的摆摆钟变慢慢了，当当他把摆摆长适当当缩短，走走时就准准确了。惠惠更斯对对这一现现象做了了研究，他他认为这这是因为为赤道附附近物体体受到更更大的离离心力，从从而抵消消了物体体的部分分重力。这这就得出出，同一一物体在在地球表表面的不不同特点点其重力力是不同同的。使使人们认认识到重重量概念念与质量量概念的的不同。3、向心加加速度定定律：惠更斯引入入了向心心加速度度概念以以向心加加速度公公

11、式：，为为牛顿万万有引力力定律的的推证提提供了依依据。惠更斯的治治学方法法和重要要成果使使他成功功地解决决了质点点力学中中最初碰碰到的几几个难题题（碰撞撞、摆和和圆周运运动）并并且展现现了理论论与实践践结合的的威力，为为牛顿的的综合作作了最好好的准备备。惠更更斯还有有其他方方面的成成就，116800年在巴巴黎研究究“行星机机器”，通过过齿轮再再现出太太阳系各各行星的的周期，这这是天文文馆的雏雏形。并并由此研研究出相相当完整整的循环环小数理理论及天天文中近近似值的的求法，在在天文望望远镜上上加装测测微计以以提高精精度等。三、牛顿的的伟大综综合：（一）牛顿顿：恩格斯谈到到牛顿的的成就时时说，牛牛顿

12、“借助于于万有引引力定律律而创建建了科学学的天文文学，借借助于对对光的分分解而创创造了科科学的光光学，借借助于二二项式定定理和无无穷级数数理论而而创造了了科学的的数学，借借助于对对力的本本性的认认识而创创造了科科学的力力学。”这是自自然科学学史上的的第一次次综合。牛顿（16642年年）出生生在英国国，他的的诞生和和伽利略略的死是是同一年年。童年年时代牛牛顿就爱爱动手制制作机械械模型，也也喜欢读读书和思思考。在在他122岁时，他他的母亲亲送他到到格兰撒撒姆的公公立学校校读书，在在这所学学校里，他他造了一一架水钟钟，一个个风磨。116600年他进进入剑桥桥大学三三一学院院念书。剑剑桥是牛牛顿天才才

13、的诞生生地。开开始，清清寒的助助学金使使他不被被富有的的学生同同等对待待，他的的发奋努努力和数数学才能能受到巴巴罗教授授的精心心培养。他他读过开开普勒的的光学学、巴巴罗的讲讲义，那那个时候候，他已已经想到到了他的的一些最最伟大的的发现的的初步观观念。116644年即成成为研究究生的第第二年，他他因躲避避鼠疫回回到家乡乡，这两两年是他他在数学学、光的的颜色理理论、引引力问题题等方面面才华横横溢、发发明兴趣趣浓厚的的高峰时时代。牛牛顿晚年年的挚友友彭伯顿顿作了如如下详细细的叙述述：“当他独独自坐在在花园里里时，他他沉浸在在关于重重力的思思考之中中；忽然然看到一一个从树树上掉了了下来的的苹果，他他大

14、吃一一惊。他他发现重重力从地地球的中中心到我我们所能能上升到到的最远远距离都都不会有有明显的的减弱，不不管是在在最高的的楼顶，甚甚至在高高山的顶顶峰，也也没有明明显的减减弱；在在他看来来，有理理由作出出这个结结论，即即这个力力必然可可以延伸伸到比我我们通常常想象的的距离还还要远；他自言言自语道道：为什什么不能能高达月月球呢？如果是是这样，月月球的运运动肯定定受到重重力的影影响；或或许它因因此有可可能保持持在它的的轨道上上。”这个关关于引力力思索的的故事，说说明牛顿顿开始产产生了把把地面上上物体的的重力和和保持月月亮在它它的轨道道上的力力看成同同一本质质的力的的想法。牛牛顿以他他非凡的的洞察力力

15、在落体体运动与与月亮运运动之间间搭起了了一座智智慧的桥桥梁，觉觉察到天天体运动动与地球球上的运运动的统统一性。在在16669年他他写了论论圆运动动，在在书中，他他开始对对引力的的平方反反比率进进行地月月验证，但但是当时时得到的的结果是是不符合合的。直直到133年后，牛牛顿依据据地球经经度一度度之长的的新数据据重新计计算，才才使计算算结果与与实验观观测相符符。从而而证明了了引力与与距离的的平方反反比的关关系是正正确的。正正如牛顿顿所猜想想的，也也如胡克克、惠更更斯、哈哈雷和其其他人所所猜想到到的一样样，即如如果开普普勒第三三定律是是正确的的，那么么，地球球和太阳阳系的行行星与太太阳之间间的吸引引

16、力应反反比于距距离的平平方。但但是，开开普勒定定律的准准确性在在那时是是受到怀怀疑的。证证明上述述猜想，需需要的正正是牛顿顿的天才才。1684年年8月100月，牛牛顿先后后写了论论运动以以及论论物体在在均匀介介质中的的运动，116866年4月月他把自自然哲学学的数学学原理原原稿请求求皇家学学会出版版社出版版时遇到到了秘书书胡克的的异议和和经费困困难，116877年由其其好友哈哈雷自费费出版，又又过了66年，牛牛顿成为为皇家学学会会长长（终身身制），116722年牛顿顿发表了了关于于光和色色的新理理论，与与胡克展展开争论论，胡克克17003年去去世。117044年，牛牛顿出版版了光光学，晚晚年从

17、事事化学研研究和埋埋头神学学著作。自自16993年起起担任造造币局局局长。117277年去世世。牛顿顿说了一一段有名名的话：“如果我我所见到到的比笛笛卡儿要要远些，那那是因为为我站在在巨人的的肩上。”牛顿所指的巨人，包括欧几里得的数学、笛卡儿的动量守恒、惠更斯的向心力等。在科学方法上，他以培根的实验归纳法为基础，又吸收了笛卡儿的数学演绎体系，形成了他比较全面的科学方法：（1）重视视实验，从从归纳入入手，这这是牛顿顿科学方方法论的的基础。牛牛顿本身身在实验验上具有有高度的的严格性性和技巧巧，在原原理一一书中他他描述了了大量实实验，例例如，为为了证明明质量和和重量成成正比，用用各种同同形状、同同阻

18、力、同同地点、同同摆长但但不同物物体的摆摆验证惠惠更斯公公式，结结果证明明所有这这些摆的的周期在在误差内内都相等等。他的的实验记记录如此此认真，以以至后来来他在某某一摆锤锤实验记记录丢失失后还能能回忆起起其中的的主要数数据。（2）清晰晰的逻辑辑头脑：牛顿在在谈到自自己的工工作方法法的奥秘秘时说“不断处处于对事事物深思思”。伽利利略、笛笛卡儿、惠惠更斯等等人已经经用位移移、速度度、加速速度、动动量等一一系列科科学概念念代替了了过去亚亚里士多多德模糊糊不清的的自然哲哲学概念念。牛顿顿的功绩绩是把它它们加以以系统化化的同时时，贡献献出两个个关键性性的概念念：力和和质量。他他把“质量”和“重量”区分开

19、开来。并并分别与与惯性和和引力相相联系。牛牛顿综合合了天上上的月亮亮运动与与地上的的自由落落体运动动，形成成了自己己的体系系。（3）事物物之间的的本质联联系只有有通过数数学方能能归纳为为可进一一步测量量、应用用和检验验的公式式或定律律。牛顿顿的巨大大数学才才能帮助助他解决决了旁人人解不开开的难题题。他创创造新的的数学工工具来研研究变量量和瞬时时的关系系，简化化复杂的的计算。没没有这些些才能，就就不可能能建立起起运动三三定律和和万有引引力定律律。（二）牛顿顿的主要要成就：1、牛顿自自然哲学学的数学学原理：1687年年牛顿发发表了原原理一一书，全全书分为为两大部部分，第第一部分分包括“定义和和注释

20、”和“运动的的基本定定理或定定律”，第二二部分是是基本定定律的应应用。这这部伟大大的著作作的出版版，标志志着经典典力学体体系的建建立。 数学方法：牛顿从从变速运运动的物物理模型型中抽象象出微积积分的概概念。而而德国的的莱布尼尼兹则是是从对曲曲线的切切线的几几何学研研究中引引入的。从从此，微微积分便便成了解解决变量量及其变变化等问问题的有有力武器器，而物物理学问问题也就就可以不不必依靠靠哲学方方式去解解决了。 力学的理论论基础基本本概念和和定律：牛顿严严格定义义了当时时人们常常常混淆淆的几 个基基本力学学概念，例例如：物物质的量量（质量量）、运运动的量量（动量量）、惯惯性、外外力、向向心力等等。

21、其次次阐述了了他的三三条定律律和六条条推论，六六条推论论包括了了力的平平行四边边形法则则、力的的合成与与分解、动动量守恒恒定律、质质心运动动定理、相相对性原原理等，在在后面的的附注中中，还描描述了许许多正碰碰中的恢恢复系数数及简单单机械的的实验。牛牛顿对弹弹性碰撞撞的物理理过程做做了生动动具体的的描述，在在碰撞中中两球挤挤压，产产生瞬间间变形，而而后恢复复原形，球球被弹射射出去。他他得出结结论：两两个质量量相同的的完全弹弹性球，以以相同的的速度相相向运动动碰撞后后，两者者都以相相同的速速度向相相反方向向运动。这这样，就就把动力力学和静静力学组组成了一一个完整整体系。原原理在在后面的的三篇中中将

22、定理理和定律律应用到到许多问问题中，包包括地上上的力学学和天上上的力学学。其中中最重要要的问题题是提出出与论证证了万有有引力定定律。【注】在原原理中中，第一一条定义义就是：“物质的的量是物物质的度度量，可可由其密密度和体体积求出出。”在阐述述这一定定义时，牛牛顿又说说：“我在以以后不论论在何处处提到物物体或质质量这一一名称，指指的就是是这个量量。”也就是是说牛顿顿把“物质的的量”、“物体”和“质量”这三个个词当同同义词用用。他也也把质量量等同与与惯性。118766年，马马赫发表表了关关于质量量的定义义一文文，提出出了用力力和加速速度的负负比值定定义质量量。18876年年麦克斯斯韦又提提出了利利

23、用一个个确定的的力先后后对两个个物体施施加作用用时所获获得的加加速度比比值作为为它们质质量反比比。即当当外力相相同时，有有： 即：质量大大的物体体加速度度小，惯惯性大，因因此可以以说质量量是物体体惯性大大小的量量度。这这样定义义出来的的质量就就叫做惯惯性质量量。2、万有引引力定律律：引力的思想想来源于于哥白尼尼，哥白白尼认为为物质有有一种聚聚集为球球体的趋趋向。吉吉尔伯特特把磁力力说扩大大到太阳阳系，认认为地球球是块大大磁铁，这这种说法法启发了了开普勒勒，他认认为太阳阳可能发发出一种种类似磁磁力的引引力流。伽伽利略却却认为引引力与物物体轻重重无关，他他认为天天体的匀匀速圆周周运动是是惯性的的天

24、然表表现，不不需力来来维持。笛笛卡儿认认为天体体的运动动来源于于惯性和和以太旋旋涡对天天体的压压力（成成为当时时英国法法国教科科书中的的正统观观点，但但缺乏科科学的论论证）。116611年胡克克作了一一些实验验，16664年年，胡克克认为彗彗星轨道道在靠近近太阳时时弯曲，说说明太阳阳有吸引引力。116799年胡克克、哈雷雷都按照照圆轨道道由开普普勒第三三定律推推出向心心力与距距离平方方成反比比，但这这种平方方反比为为什么会会形成椭椭圆轨道道以及椭椭圆轨道道怎么证证明向心心力与距距离的平平方反比比关系，大大家束手手无策。至此，尽管管经过前前人的努努力，万万有引力力定律的的思想准准备已经经基本成成

25、熟，但但在数学学上还存存在困难难。牛顿顿对引力力问题，自自己只承承认有两两点成就就，第一一是观念念上的。他他肯定了了地球上上的重力力和天体体间的引引力的同同一性。打打破了亚亚里士多多德“月上”和“月下”两个世世界的划划分，尽尽管地面面附近的的落体运运动与月月亮的旋旋转在形形式上完完全不同同，牛顿顿却独具具慧眼，看看出它们们之间起起作用的的都是同同一性质质的力。关关于苹果果圆中的的故事只只有象征征性的意意义，这这个故事事说明牛牛顿经常常沉思的的一个关关键问题题是要探探索天上上（月亮亮）和地地上（苹苹果）的的力之间间本质是是否相同同。第二二，牛顿顿用数学学方法表表示出万万有引力力。在涉涉及力、距距

26、离、轨轨道的具具体计算算中，曾曾遭遇了了变量和和积分计计算等困困难，主主要困难难有三：（1）如如何用平平方反比比律证明明行星运运动是椭椭圆运动动，这需需要积分分；（22）能否否把月球球和地球球质量看看成集中中于球心心，这需需要积分分；（33）要有有精确的的地球半半径，地地月距离离等数据据以进行行验算）。由由于牛顿顿创造了了新颖的的数学工工具，加加上他对对数据一一丝不苟苟的严格格态度，他他终于克克服了困困难。他他从16666年年开始研研究这一一定律，到到16887年最最后发表表最后发发表，共共21年年。事实实上，在在16885年以以前牛顿顿自己还还一直怀怀疑这一一结论。理论的作用用不仅要要解释已

27、已有的现现象，而而且要能能预测未未来的事事件。事事实上，万万有引力力理论，使使得人们们只凭少少数观测测资料，就就能算出出天体运运行的长长周期轨轨道，免免去了过过去冗长长的计算算，而且且十分精精确可靠靠，从而而解释了了今后几几百年内内极多的的地面现现象与天天体现象象，例如如：哈雷雷彗星、地地球的扇扇形，后后来人们们预测了了海王星星、冥王王星等等等，直到到今天，万万有引力力仍是最最精密可可靠的基基本定律律之一，她她是天体体力学和和宇宙航航行计算算的基础础。在牛顿以前前，无论论是东方方还是西西方，天天与地的的区分是是根深蒂蒂固的。没没有任何何一项成成果能说说明天上上运动与与地上运运动服从从相同的的规

28、律。牛牛顿的引引力定律律体现了了天上运运动与地地上运动动的统一一性，它它把开普普勒的行行星运动动和伽利利略的抛抛体运动动统一了了。从而而把天体体运动纳纳入到根根据地面面的实验验得出的的力学原原理中。这这是物理理史上第第一次伟伟大的综综合。牛顿代表了了人类在在认识机机械运动动基本规规律方面面的巨大大飞跃，从从而奠定定了经典典力学的的基础。但但是，牛牛顿力学学相信绝绝对时空空观，这这是它的的局限。另另外当时时的自然然科学家家还不能能仅靠一一条万有有引力定定律去说说明行星星轨道的的切线速速度一开开始是从从哪里获获得的，牛牛顿在116922年写给给牧师的的信中写写道：“没有神神力之助助，我不不知道自自

29、然界还还有什么么力量竟竟能促成成这种横横向运动动”。牛顿顿把一切切未知的的神奇归归功于上上帝，为为此花了了后半生生的心血血写出了了1500万的神神学著作作。四、液体和和气体：1、帕斯卡卡：在讲到液体体和气体体力学的的时候，我我们从帕帕斯卡关关于液体体压强的的研究开开始。帕帕斯卡出出生在法法国，是是一位数数学家和和物理学学家。他他于16653年年写了一一篇文章章叫论论液体的的平衡，在在文章中中，他阐阐明了著著名的帕帕斯卡定定律，即即施加给给液体的的压强不不减弱地地穿透到到各个方方向，并并以相同同的压强强作用在在和力成成直角方方向的所所有相等等的表面面上。他他用实验验方法证证明了，依依靠液体体重力

30、得得到的正正对表面面的压强强仅仅决决定于液液体的深深度。2、厌恶真真空：除了望远镜镜外，在在17世世纪科学学也发现现了气压压计和空空气泵。在在物理史史上，许许多哲学学家，物物理学家家都曾经经说过，真真空不存存在。亚亚里士多多德，笛笛卡儿都都讲过自自然界厌厌恶真空空。由于于这种厌厌恶，据据说自然然界以容容纳附近近的任何何东西并并立刻以以这种东东西填满满任何被被弄空了了的空间间来阻止止真空的的形成。甚甚至伽利利略也不不能使自自己完全全摆脱这这种学说说。伽利利略知道道：（11）空气气有质量量（他以以平常压压力下的的空气和和高压下下的空气气注满玻玻璃容器器后的重重量差使使自己相相信空气气有质量量）；（

31、22）“对真空空的阻力力”是以水水柱的高高度来量量度的。但但是，他他没有把把两个观观点统一一起来，把把空气看看作是可可以施加加压力的的流体，这这个工作作尚待他他的学生生托里拆拆利来完完成。3、托里拆拆利实验验：托里拆利在在耶稣会会学校开开始他的的数学研研究，并并在罗马马的卡斯斯特里知知道下继继续研究究。他精精通伽利利略的著著作，并并发表了了一些力力学文章章。伽利利略渴望望认识这这些论文文的作者者，并邀邀请托里里拆利和和他合作作。据说说，他们们的交往往和谈话话给晚年年的伽利利略以极极大的安安慰。三三个月后后，伽利利略逝世世。伽利利略的保保护人托托斯卡纳纳大公爵爵让托里里拆利以以学院数数学教授授的

32、名义义作为伽伽利略的的继承人人。1640年年，意大大利北部部一名大大公爵家家中的花花园建造造了一座座结构十十分精美美的喷水水池。为为了供喷喷水，挖挖了一口口十多米米深的井井，装上上了强有有力的抽抽水唧筒筒，但是是一滴水水也抽不不上来。于于是，大大公爵就就派人去去请教当当代最有有名的科科学家伽伽利略。这这时伽利利略已是是76岁岁高龄，又又双目失失明，病病卧在床床。当他他听到这这种情况况，也感感到十分分惊讶。但但他认为为，自然然界厌恶恶真空可可能是一一种力，这这种力是是可以测测量的。他他说，井井太深了了，抽水水唧筒内内水柱受受它自身身重量压压缩，所所以还没没有到井井口就被被压了下下去。人人们听了了

33、似懂非非懂。可可是，这这时的伽伽利略已已经没有有时间和和精力来来解决这这个问题题了。他他的学生生托里拆拆利继续续研究这这个问题题。他认认为当水水沿抽水水唧筒上上升时，不不是什么么管子这这头“厌恶真真空”造成的的，而是是管子那那头井水水水面上上的大气气压力使使水沿管管子上升升。抽水水唧筒只只能把水水抽到十十米高，那那是因为为大气没没有重到到可以把把水压到到十米以以上的缘缘故。他他又想，用用水做实实验管子子得十多多米长，太太不方便便了，于于是改变变用水银银做实验验。托里里拆利设设计了以以垂直的的水银柱柱测定真真空阻力力的方案案。他预预料水银银的长度度约相当当于水柱柱的。托托里拆利利实验在在1644

34、3年由由伽利略略的学生生维维安安尼进行行。他的的实验的的具体做做法是，把把一根约约1222厘米长长的玻璃璃管一端端封闭，从从开口一一端慢慢慢地装满满水银，再再用手指指按住这这开口的的一端，把把装满水水银的玻玻璃管倒倒转过来来，然后后，将开开口端插插入一个个盛水银银的盆中中。当放放开手指指后，玻玻璃管中中的水银银不断下下降，直直至高出出盆里水水银面229英寸寸（约7737毫毫米）为为止。这这个著名名的实验验使他们们知道如如何获得得真空，证证明了大大气压力力的存在在，也很很容易的的解释了了抽水唧唧筒的抽抽水高度度。这个个实验装装置可以以认为是是世界上上第一个个压强计计。但是是，托里里拆利从从未发表

35、表过一篇篇关于他他的这项项研究的的说明。事事实上，他他那时一一直在钻钻研摆线线的数学学问题。几几年后他他去世了了，可是是，他却却在16644年年给他朋朋友的信信中，描描述了他他的实验验。使得得关于托托里拆利利实验的的新闻在在法国学学者中引引起了大大轰动。后来传到帕帕斯卡那那里，他他又重新新做了思思考，并并得出结结论说：“真空在在自然界界中不是是不可能能的，自自然界不不是像许许多人想想象的那那样以如如此巨大大的厌恶恶来避开开真空。”帕斯卡还推论，如果水银柱是单纯的被空气压力提起的话，那么水银柱在海拔较高的地方应该更短。他在巴黎的教堂尖顶做了实验，甚至让别人在多姆山做一次实验。实验的结果，是水银柱

36、高度有三英寸之差，“这使我们以赞赏和惊奇的心情而狂喜”。帕斯卡又重复了托里拆利的实验，用的是红葡萄酒和一根46英尺长的玻璃管。一个注有一半空气的气球，当把它拿到山顶时，发现它膨胀了，而在下山时，他又慢慢地恢复了原样。4、盖里克克关于空空气压力力的实验验：由于在意大大利和法法国的实实验研究究，“厌恶真真空”的学说说已被推推翻。在在德国发发生了重重复的过过程。德德国研究究者的早早期工作作是独立立进行的的。盖里里克产生生在马德德堡的名名门望族族，他在在很多大大学学习习过，以以后又在在英国和和法国旅旅行。116466年，他他当上马马德堡市市的市长长。关于于真空的的问题的的争论引引起了他他寻求实实验事实

37、实的好奇奇心，他他做了一一系列的的实验，在在16663年他他完成了了他的著著作论论真空的的手稿，九九年后出出版。在他的著作作中有大大量的插插图，说说明了他他所从事事的实验验：盖里克起初初用一个个密封的的装满水水的葡萄萄酒桶，试试着用泵泵把水抽抽到下面面的桶里里。三个个大汉拉拉动泵的的活塞，终终于成功功地把水水抽出。随随即听到到一些噪噪音，似似乎桶内内剩下的的水在剧剧烈地沸沸腾。这这种情况况，一直直持续到到从桶缝缝钻进空空气取代代被抽出出来的水水时为止止。后来来，盖里里克以铜铜制的球球形容器器作为实实验对象象代替了了木桶，用用活塞将将球里面面的水和和空气抽抽出来。开开始时，活活塞很容容易被移移动

38、，而而以后要要有两个个人的力力气才能能勉强拉拉动活塞塞，当“突然出出现大霹霹雳声使使大家都都感到惊惊吓”时，铜铜球塌瘪瘪了。后后来，一一个更大大的和更更严实的的球形金金属容器器被安装装固定并并被抽成成真空。“打开活塞时，空气以这样大的力挤进铜球内，恰似它要把附近的一个人拉到铜球里一样。虽然你在一段相当的距离内捂住你的脸，但你的呼气被吸走了。的确，当你用手抓住活塞时不能不冒着被猛然拉下的危险。”盖里克发明了抽气泵。人们利用抽气泵很容易获得真空，做了许多实验。人们听不到放在真空中的钟声；在里面的火焰熄灭了；在里面的鸟张大嘴拼命呼吸，而最后死去；鱼也死在里面；葡萄在真空中能保存6个月。盖里克拿来长管

39、，一端和抽空的玻璃球相连，另一头浸在水面水下，就是盖里克气压计。他以空气的压力来解释管子里水的上升。他观察到水柱高度的起伏，并用这个仪器作天气预测。一个浮在水面的小木头人在管子里上下运动，并以他的手指指出了各个时刻的空气压力。盖里克还设计了空气有质量的实验。他的“马德堡半球”实验也是真实的。他做了一对直径约为1.2英尺的半球，并于1654年在葛底斯堡表演给迪南三世皇帝看。根据他的计算，要克服大气压力把这两个合在一起的半球，需要11845牛的力，他用了16匹马才把它拉开，每个半球八匹马。后来，盖里克第一次听到托里拆利早在11年前做了这些实验。5、波义耳耳的生平平（气体体实验定定律的发发现）：波义

40、耳出生生在爱尔尔兰。他他是一个个多产的的作家。他他相信宗宗教，因因此许多多作品都都是关于于神学的的。16638年年他到了了欧洲。116455年伦敦敦的哲学学会议后后，他得得到了对对科学研研究的巨巨大动力力。16654年年波义耳耳在牛津津任职，建建立了一一个实验验室，并并且聘请请胡克作作为他的的化学助助手。116599年，他他读了盖盖里克的的空气泵泵的报道道。以后后，他让让胡克做做了一个个精致的的气泵。116600年，波波义耳发发表他的的新实实验一一书。他他出版这这本书后后，荷兰兰的一位位教授宣宣称：空空气要做做到和229英寸寸的水银银柱相平平衡的这这种大事事，是非非常不能能够的；他声称称，他发

41、发现了水水银被不不可见的的纤维吊吊在管子子的上端端，并当当他用他他的手指指按紧管管子的上上端时就就感到有有这种线线。这个个批评促促使波义义耳重新新做了研研究。如如果没有有这个荒荒谬的批批评，波波义耳或或许永远远也不会会发现以以他的名名字命名名的定律律。他这样描述述他的实实验，我我们取一一根长的的玻璃管管，用灵灵巧的手手和灯火火把它的的下端弯弯过来，使使其弯向向向上的的部分几几乎和管管子的其其余部分分相平行行，并且且使较短短的一段段玻璃管管上的口口密封，用用刻有若若干英寸寸分格的的纸条顺顺着管仔仔细地帖帖满。然然后，注注入管子子的弯曲曲部分适适当的水水银，以以便水银银在管子子两端达达到相同同的高

42、度度，接着着，我们们开始把把水银灌灌进管子子的较长长的一端端，直到到管子较较短一端端里的空空气受到到压缩后后减小到到它所占占据空间间的一半半时，最最后，我我们高兴兴和满意意地看到到，玻璃璃管较长长部分的的水银比比另一部部分高出出29英英寸。“后来，波波义耳用用其他管管子重做做实验，并并且每一一次都把把观察值值跟“按照设设想，压压力和膨膨胀成反反比的假假设”所应有有的那些些值做比比较。观观察值和和理论值值符合得得相当好好16666年，波波义耳发发表了“流体力力学佯谬谬”，流体体压力的的正确观观念正在在形成。在波义耳发发表他的的定律以以后144年，“波义耳耳定律”又被杰杰出的法法国物理理学家马马略

43、特独独立发现现。在法法国，人人们称之之为“马略特特定律”。我们们现在称称之为“波义耳耳马略特特定律”，它的的内容为为：一定定质量的的气体，当当温度不不变时，它它的压强强和体积积成反比比。在法国，实实验物理理学的复复兴归功功于马略略特。正正如波义义耳是伦伦敦皇家家学会的的杰出组组织者一一样。马马略特是是在16666年年建立的的法国科科学院的的第一批批起领导导作用的的成员之之一。法国科学家家查理从从事气体体研究和和气球的的设计工工作，他他因为在在这个领领域中所所作的改改进和作作为一位位勇敢的的空中飞飞行员而而十分出出名。117833年，他他首先使使用装有有氢气的的气球，使使它升上上高空。11785

44、5年，他他通过实实验研究究发现了了查理定定律。这这个定律律现在被被表述为为：一定定质量的的气体，在在体积不不变时，它它的压强强和绝对对温度成成正比。另另一位法法国科学学家盖吕萨克克通过实实验研究究，于118022年发现现了以他他名字命命名的定定律：一一定质量量的气体体，在压压强保持持不变时时，它的的体积和和绝对温温度成正正比。4.2 光学一、折射定定律：折射定律是是莱顿的的力学教教授斯涅涅耳发现现的。他他从未公公布他的的发现，但但是惠更更斯等人人声称曾曾审查过过斯涅耳耳的手稿稿。他以以下面的的形式描描述了折折射定律律：在相相同的介介质里，入入射角和和折射角角的余割割之比总总是保有有相同的的值。

45、斯斯涅耳没没有作这这个定律律的理论论推导，但但是他用用实验验验证了它它。我们们现代书书本中看看到的正正弦定律律，是笛笛卡儿116377年的屈屈光学一一书中作作出的。有有人认为为这是笛笛卡儿独独立发现现的，因因为在笛笛卡儿的的书中没没有提到到斯涅耳耳。笛卡卡儿没有有做实验验，但他他从如下下的假定定从理论论上推导导了这个个定律：（1）光光速在较较密的介介质中较较大（错错）；（22）在相相同的介介质里，这这些速度度对各种种入射角角都有相相同的比比率；（33）在折折射时，平平行于折折射面的的速度分分量保持持不变（错错）。这这些假定定不大可可能是正正确的，这这引起了了数学家家费马和和其他人人着手去去证明

46、。费费马去世世前没有有发表著著作，但但在他去去世后九九年，由由他的女女儿发表表了以他他的名字字命名的的费马原原理，即即：光线线在空间间两点传传播，其其路径的的光程必必取极小小、极大大或者常常量。根根据费马马原理可可以简捷捷地说明明光在均均匀媒质质中沿直直线传播播，解释释光路的的可逆性性，导出出光的折折射定律律。可以以说费马马定律是是光在媒媒质中传传播路径径的普遍遍规律。折折射定律律的确立立和费马马原理的的提出，为为解决光光学系统统的定量量计算提提供了理理论依据据，为几几何光学学的发展展奠定了了理论基基础。二、光速：17世纪的的一个伟伟大成就就就是光光的逐渐渐传播的的发现。以前通常假假定光的的速

47、度是是无限的的。开普普勒和笛笛卡儿持持有光速速无限的的观点。伽伽利略却却认为光光即使传传播很快快，但还还是需要要时间。伽伽利略首首先尝试试测量光光速。他他提出两两个人从从两座相相距一英英里的山山头上用用闪光灯灯作信号号来测定定光速的的设想。他他确定了了A点，用用灯光把把信号传传到B并并收到从从B回来来的信号号所需要要的时间间。如果果能发觉觉有时间间差，那那么，光光就是以以有限速速度传播播的。伽伽利略无无法从这这个实验验上解决决问题。约30年后后，一个个年轻的的丹麦人人勒麦，观观察到木木星的卫卫星在它它们的轨轨道上运运转的时时间在一一年的各各个时期期不都是是相同的的，勒麦麦相信观观察到的的不规则

48、则性必定定阐明了了光速是是有限的的这一事事实。通通过观察察木星的的卫星蚀蚀出现的的时间差差可以测测得光速速。现代代用勒麦麦法测得得的光速速值为。在在16776年99月，勒勒麦向法法国科学学院报告告，发生生在111月份的的下一次次第一个个卫星食食的时间间要比根根据8月月份的观观察进行行计算所所得到的的时间迟迟10分分钟左右右，这个个矛盾可可以用假假定光从从木星到到地球需需要时间间而得到到解释。他他讲到光光穿过地地球的轨轨道需要要22分分钟（精精确值为为16分分36秒秒）。当当时他的的理论没没有得到到接受。勒勒麦的理理论在英英国得到到了哈雷雷的支持持。并被被英国天天文学家家布拉得得雷所证证实。布布

49、拉得雷雷是牛津津的天文文学教授授。当他他努力于于测量星星体的视视差时，他他发现它它的位移移不象他他所预料料的那样样。后来来，他猜猜想到，光光的前进进的传播播跟地球球在它的的轨道上上的前进进相结合合时，光光的前进进传播肯肯定产生生每年一一度的变变化，天天体的变变化在这这种方向向上是通通过依赖赖于这二二者的速速度之比比而被看看见的。布布拉得雷雷估计太太阳光达达到地球球的时间间是8分分13秒秒。这样样一来，布布拉得雷雷证实了了勒麦的的理论，光光的渐进进传播开开始作为为一个已已确立的的事实被被接受。光光速的实实验室测测定方法法直到118499年由法法国科学学家菲索索用旋转转齿轮法法实现。布布拉得雷雷发现以以牛顿的的光的微微粒说很很容易解解释光行行差。光光粒子像像垂