牛顿时代、18世纪.ppt
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1、第二章第二章 牛顿时代和牛顿时代和18世纪的科学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牛顿-在几何光学和物理光学方面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。牛顿牛顿-在几何光学和物理光学方面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
2、围则出现了以暗点为中心的明暗相间的彩色同心圆。牛顿牛顿-在几何光学和物理光学方面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。牛顿牛顿-微积分的创立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
3、。莱布尼兹莱布尼兹-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。贝克莱悖论贝克莱悖论
4、比如说x2的导数,先将x取一个不为0的增量x,由(x+x)2-x2,得到2xx+(x2),后再被x除,得到2x+x,最后突然令x=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。牛顿牛顿-绝对空时观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
5、匀地、与任何其它外界事物无关地流逝着。牛顿牛顿-对力学的大综合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6.6710-8cm2/gs2。牛
6、顿牛顿-对力学的大综合对力学的大综合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。牛顿牛顿-自然哲学的数学原理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
7、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
8、、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
9、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
10、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。第二节第二节 牛顿时代和牛顿时代和18世纪的物理学世纪的物理学一、对热的研究一、对热的研
11、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0F。2、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0C。3、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
12、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/r2,就是介电常数。二、对电的研究二、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
13、惧和神秘感。富兰克林富兰克林-风筝实验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
14、电的研究二、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“。伏打电堆伏打电堆他把许多对(对、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及其波动说的建立惠更斯
15、提出了他的一种比较系统的光波学说。光时一种机械波。这种机械波是由光源的振动而发出的。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”。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。惠更斯惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理菲涅耳:(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
16、,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惠更斯-菲涅耳原理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的微粒说的建立牛顿主要以光的反射和折射现象为基
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