第二章 西方古代物理学(简)

第二章西方古代物理学1.古希腊时期：前8世纪--4世纪2.中世纪：5—15世纪分期第一节古希腊物质本原思想第二节古希腊时期对宇宙的认识第三节古希腊的物理学知识第四节中世纪的物理学知识1.古希腊的三个时期（公元前8世纪---4世纪）①城邦时期（前8世纪—前4世纪）：在地中海东岸有10余个不同城邦，这时的雅典为众城邦的盟主，也是科学文化发展的中心。出现了大批著名的哲学家和科学家：泰勒斯、毕达哥拉斯、德谟克利特、苏格拉底、柏拉图和亚里士多德等。②亚历山大时期（前4世纪—前2世纪）：以亚历山大为首的马其顿人征服了全希腊，建立了地跨欧亚非大陆的亚历山大帝国，在埃及建立了“亚历山大城”，在城内还建立了博物馆和图书馆（谬斯学院），聚集了大批优秀的科学家。科学文化的中心也自然的转为埃及的亚历山大城；③罗马时期（前2世纪—4世纪）：希腊被罗马人征服,开始了罗马时期。初期由于政治动荡，科学开始衰退，当社会稳定后，从公元2世纪到4世纪，亚历山大里亚的科学再度中兴。这时科学家已经转为重视使用的氛围中，研究活动多与实际生活的需求相关。或者表现为对以往科学的注释上。2.中世纪可以细分为三个时期（5世纪---15世纪）①黑暗时代（5—8世纪）：内部奴隶起义，外部日尔曼部落入侵，西欧逐渐过度到封建领主土地所有制。同时基督教成为罗马国教。消灭一切异教文化，对整个社会实行严酷的思想统治和愚昧政策，违背宗教的见解受到惩罚。圣经的语句具有法律效力。古希腊学术终结。②阿拉伯文化时代（8—11世纪）：地处东西方贸易交流纽带的阿拉伯，成为沟通东西方文化的桥梁，同时完好的保存了许多古希腊的学术典籍，对后来欧洲文艺复兴乃至近代科学产生重大影响。③经院哲学时代（11—15世纪）：经院哲学是以理论形式装扮起来的为封建统治阶级服务的官方哲学。经院哲学所进行的一切论证均以圣经词句作为出发点和终极真理，根本无视经验和实践，敌视对自然界进行科学研究。代表人物托马斯•阿奎那（1226—1274）将亚里士多德的学说神话，使其成为不可侵犯的权威。反叛代表培根。武汉大学赵林讲“亚里士多德”及古希腊背景第一节古希腊物质本原思想一元素论二数的和谐思想三原子论山东师范大学物理与电子科学学院一元素论1.城邦时期（公元前8世纪—前4世纪）泰勒斯(米利都学派创始人，公元前624-前547)认为万物本原是水；万物生于水又复归于水。阿那克西曼德(泰勒斯学生，公元前610-前547)，认为世界的本原应是“无限者”(一种没有固定的界限、形式和性质的东西)，由它生出土、水、气、火等。阿那克西米尼(泰勒斯学生的学生，公元前585-前528)，则将实实在在的“气”看作是万物本原；赫拉克利特（一城邦邦主，公元前540-前475）认为是“火”；恩培多克勒(西西里岛的一位王子，公元前493-前433）：提出“四根说”，即物质由水、土、气、火四种元素构成。这四种元素以“爱”和“恨”相吸或排斥而结合成万物，万物的变化就是这四种元素的分离与重新组合。2.亚历山大时期亚里士多德在总结前人研究的基础上，提出：地上万物由水、土、气、火四种元素组成，月层以上的天体由以太组成，而元素又由冷、热、干、湿这四种更基本的基质构成。山东师范大学物理与电子科学学院二“数的和谐”思想--创始人：毕达哥拉斯（约前584-前497）公元前6世纪至公元前5世纪，毕达哥拉斯创建了古希腊哲学中很独特的一个学派，这是一个研究数学与宗教的秘密结社，公元前5世纪分裂为科学派和宗教派。毕达哥拉斯学派反对物质元素是万物本原的观点，认为数是独立于物之外的实质，数是万物本原，“万物皆数”，“数支配着世界”，“万物的本原是一”。由数可以产生几何上的点、线、面、体，有了体才可以有火、气、水、土元素，从而产生万物,数在物之先，数是事物的终极原因。由于注重数的比例关系，发现了数学上的毕达哥拉斯定理（勾股定理）与音乐上的五度相生律。认为世界上的一切现象和规律都服从“数的和谐”，这种“数的和谐”表现为数学上的简单性、对称性与和谐性。“数的和谐”成为后来以至今天科学研究的一个重要指导原则。由“数的和谐”发展为“宇宙的和谐”的观念成为历代科学家的指导思想与科学方法。山东师范大学物理与电子科学学院三原子论创始人：米利都学派的留基伯(公元前500-前440)和其学生德谟克利特(公元前460-前370)。接受了毕达哥拉斯的超感性世界的认识，但不接受“数”的本原观点。他将微观的几何点同“存在”结合起来，认为“存在”是不可分的、不变的、球形的。并将“存在”取名为“原子”。100年后雅典的伊壁鸠鲁（公元前341-前270）发展了这一学说：原子本身不仅有形式上的差别，还有大小和重量的不同。只要不遇到任何阻抗，原子在虚空中以同样的速度运动着。但是，由于原子内部的原因，原子在运动中会发生偏斜，由于这种偏斜使原子产生涡旋运动。罗马科学家卢克莱修（约公元前95-前55）也继承和传播了原子论。并用尘埃在阳光中的飞舞比喻原子的运动。到17世纪，法国科学家伽桑狄（1592-1655)重新发现和传播了原子论。他们的研究与传播对道尔顿建立科学的原子论作了必要的准备和中介。第二节古希腊时期对宇宙的认识1.毕达哥拉斯学派（唯美学派）认为天体的形状是球形，天上应该有10个天体，当中是中心火团，10个天体围绕中心火团做同心圆周运动，恒星紧系在天的最高圆顶。2.柏拉图学派---地球中心说继承和发展了毕达哥拉斯学派对科学美的追求。他认为，天体必须沿着完美的圆形轨道作均匀有序的运动，或者沿着复合的圆周运动。提出地球为运动中心的同心球层模型。代表人物：柏拉图、欧多克斯和亚里士多德等。并最终由托勒密（约90—168）发展和完善。恒星天地球月亮水星金星太阳火星木星土星原动天地心说的矛盾：行星的亮度变化、逆行现象、及日偏食、日全食等现象和同心球层结构矛盾。例如：从地球上看，水星和金星总是在太阳方向的一个角度范围内，从不远离太阳，并且有时亮有时暗一些，甚至还有逆向运动。地心说的发展-----“本轮—均轮”结构模型阿波罗尼（Apollonius,约前247—前205）提出了“本轮—均轮”结构模型：行星沿着本轮做圆周运动，本轮的中心又在以地球为中心的均轮上做圆周运动。之后的希帕克斯(Hipparchus,前161-前126)又发展了偏心轮和本轮—均轮体系。这样，根据“本轮—均轮”结构模型，就可画出金星的运行轨道，即金星沿轨道绕日运转，然后和太阳一起再绕地球运转。如右图地球金星地心说体系最终由希腊晚期亚历山大城的数学家、天文学家托勒密（Ptolemaeus,约90—168）发展和完善：他用80个轮来解释天体的运动，与实测数据符合的较好。后来被宗教利用来宣传教义，流行了1400多年。问题：随着观测精度的不断提高，发现这样组合成的轨道与观测轨道有差异，就在本轮上再加一个本轮，这样一个轮又一个轮的加上去。像叠罗汉似的不断增加。到了哥白尼时代，按照地心说的观点，描述一个天体的运动，所用本轮和均轮的数目已增加到了80多个，因此托勒密体系太复杂了。3.太阳中心说阿里斯塔克（Aristarchus,约公元前310—前230）：他在所写的《太阳和月亮的大小与距离》(OntheSizesandDistancesoftheSunandMoon)一书中提出：太阳是宇宙的中心，地球和行星都围绕太阳运转，地球每年绕太阳转一周，又每天自转一周。因为恒星距离我们太远，其视差太小，我们看不出来，所以看起来恒星在远处不动。由于这一思想远远超过了当时的天文学和力学的知识水平，所以不为当时的人们所接受，并长期受到教会的压制。一力学知识1.亚里士多德关于运动的分类自然运动和强迫运动自然运动是指由于物体在“内在目的”的支配下寻找其“天然位置”的运动，与物质所含元素有关，如：含土元素的重物的天然位置在地心，所以重物垂直下落；由火元素构成的轻物的天然位置在天空，所以轻物竖直上升；等等。物体越重，下落就越快；物体越轻，上升就越快。强迫运动指借助外力进行的运动，撤去外力，运动停止。物体的运动速度与施加的外力成正比，与在介质中受到的阻力成反比。第三节古希腊的物理学知识古希腊的物理知识主要集中在力学和光学两个方面。力学主要有亚里士多德的动力学思想和阿基米德的静力学。意义：亚里士多德能够摆脱神的意志，并能形成一套自圆其说的体系，在当时是有非常重要意义的。在科学史上，他是一个重要的开拓者，尽管其许多观点是错误的，但其历史作用不可否定。1.亚里士多德简介（希腊，约公元前384-公元前322）:出生于希腊北部的一个城邦，18岁进入柏拉图学园，并在此学习和工作了20年之久。柏拉图死后，亚里士多德离开了学园，不久到了马其顿，任宫廷教师，约在公元前342年，他成为王子亚力山大的私人教师。公元前335年，又回到雅典，创办了吕克昂学园。亚里士多德的研究很广泛，他系统研究了逻辑学、政治学、论理学、文学、天文学、物理学、生物学等，著述甚丰，据说上千卷，包括《形而上学》、《物理学》、《论理学》、《工具篇》等。被称为古希腊思想史上的“百科全书”。在科学领域里起着奠基性的作用。由于他和弟子们常在散步时进行哲学讨论，所以被称为“逍遥学派”。亚氏观点从归纳日常生活出发，加上哲学思辩，后来发展为经院哲学，成为自然科学的障碍。6）发明了滑轮组；2.阿基米德（公元前287—前212）古希腊最著名的物理学家，数学和力学大师；生于意大利的叙拉古，11岁时他到埃及的亚历山大学习。在那里他接受了东方和古希腊的优秀的文化教育。后人称其为“物理学之父”。著有《论平面的平衡》《论浮体》，其数学研究在欧几里德之后达到那个时代的顶点。1）杠杆原理---奠定了静力学的基础；2）浮力定理---阿基米德定理；3）证明了正圆柱体内切球的体积与该圆柱体积之比为2:3；他采用了两种方法：①实际制作了两个材料相同的模型，称其重量；②从数学上推导论证。4）提出了重心的概念和物体重心的求法；之间；7）发明了阿基米德螺旋提水器等。175）计算了π的数值在310和371山东师范大学物理与电子科学学院故事1)铜镜烧船:在保卫叙拉古免受罗马海军攻击的战斗中，阿基米德利用杠杆技术制造了远、近距离的投石机攻击敌舰，并用滑轮组把敌舰的船头拉倒。据说阿基米德让妇女用铜镜组成一面聚光镜烧战船上的帆，浸了油的绳与桅杆和帆都烧起来了。1747年，法国科学家布韦为了验证这一情况，用360面镜子，拼成一个大凹镜，烧灼了70米外的木堆。2)豪言：传阿基米德在叙拉古的王宫曾以这样的豪言评价杠杆的作用:“给我一个支点，我可以撬动地球”。3)鉴定王冠：传阿基米德在洗澡时发现了鉴定王冠的纯金成分的方法，并在国王和大臣面前进行了表演。意义：阿基米德的力学研究方法具有“一般”的意义。阿基米德在提出了著名的浮力定律和杠杆原理的过程中所采用的公理化方法---将实验和数学推理结合起来，成为近代甚至现代物理学研究的重要方法之一。（被称为“物理学之父”）二光学知识1.欧几里德（约前330—前275）建立的优美的平面几何。他将平面几何引入到光学研究，建立了几何光学，著有《反射光学》：确认光的直进性，并建立了光的反射定律；确定了凹面镜的聚焦点在球心或在球心与球面之间。但他却认为：视觉的产生是从人眼睛发射出的光线被物体反射回来的结果。2.希隆（Heron,前150—前100）：用光程最短原理论证了光的反射定律。光反射时通过的路程SMS’比任何其他的路程SM’S’都短。这个原则后来为费马(Fermat)所发展。月地θ应用：1.阿里斯塔克：测量日地距离和月地距离之比；2.埃拉多塞（约前270—前196）测量地球周长等。日1.阿里斯塔克测量----日地距离和月地距离之比：当月亮恰为半月时，日月地构成直角三角形：根据测量的角度θ计算出日-地距离为月-地距离的20倍（实际为400倍）。启明之光:二.古希腊时期的物理进展AS井ASL=2RR=2.埃拉多塞(公元前270-公元前196)：用三尺长的竹竿测地球周长埃及的尼罗河旁有两个城市赛恩和亚历山大。在塞恩有一口很深的井，夏至那天，阳光会照到井底，而阳光同时在亚历山大对竹竿将有