第三讲-17-18世纪的科学技术

CompanyLOGO第三讲17—18世纪的科学技术—18世纪的科学技术第一次科学革命带动了17—18世纪数学、物理学、化学和生物学的发展，从本讲开始，我们按分门别类来讲，分成数学、物理学、化学、生物学、天文学等；介绍的重要人物有：笛卡尔和费尔马、耐普尔、牛顿和莱布尼茨、富兰克林、伽伐尼与伏特、玻意耳、拉瓦锡、林奈、布丰、居维叶、拉马克、康德；近代自然科学方法论、形而上学机械唯物主义自然观。科技发展史·第三讲17—18世纪的科学技术第一次技术革命数学化学物理学生物学—18世纪的科学技术一、数学的发展这个时期的数学是从常量数学到变量数学的转折时期。这个时期的数学领域有三项重大发明：第一，笛卡尔和费尔马创立的解析几何学；第二，耐普尔发明了对数；第三，牛顿和莱布尼茨创立了微积分学。牛顿莱布尼茨笛卡儿费尔马—18世纪的科学技术1．解析几何学的创立法国大数学家费尔马（1601—1665）和笛卡尔(1596---1650)用代数方法研究几何问题，创立了解析几何学或称作坐标几何学。其中心思想是把代数方程同曲线、曲面等几何概念联系起来。在17世纪，数学中需要处理的许多问题都与变量有关，例如求任一曲线的切线，求曲线下的面积，求极大值和极小值等。这些问题单用几何方法困难既多又繁琐，而用代数方法则可化繁为简。费尔马是最早采用这一方法的数学家。由于写作早，成书比笛卡儿晚，人们往往忽视费尔马在解析几何学上的贡献。—18世纪的科学技术笛卡尔认为数学可以有效地应用到科学中去。但古希腊人的几何学过于抽象，而且过多地依赖于图形；当时通行的代数学又完全受法则和公式的控制，以至于成为一种充满混杂和晦暗，故意用来阻碍思想的艺术。笛卡尔主张采取代数和几何中的一切最好的东西，互相取长补短，以形成一个新的数学分支学科。笛卡儿开始用代数方法来解决几何作图问题，后来又产生了用方程表示曲线的思想。笛卡儿把代数学和几何学有机的结合起来，解决了空间形式和数量关系间的问题。—18世纪的科学技术拉格朗日在评论解析几何的优点时曾指出：只要代数和几何分道扬镳，它们的进展就缓慢，它们的应用就狭窄。但是，当这两门科学结合成伴侣时，它们就相互吸取新鲜的活力。从此以后，就以快速的步伐走向完善。笛卡尔创立的解析几何学，既促进了代数同几何两个学科的发展，又极大地推动了数学乃至整个自然科学的大发展。笛卡儿的变量和解析几何方法是数学发展的转折点，为以后微积分学的创立和发展打下了基础。1735~1813—18世纪的科学技术2．对数的发明为了改进和简化数学计算，英国人耐普尔(1552-1632)发明了对数，并在1614年出版《奇妙的对数定律说明书》中总结并发表了他的这项发明。英国人布里格斯（1561—1630）把对数发展为以10为底的常用对数，并作出了常用对数表。拉普拉斯在评价对数方法的意义时说，它“用缩短计算的时间来使天文学家的寿命加倍。”拉普拉斯(1749～1827)—18世纪的科学技术3．微积分的创立17世纪数学面临四个急需解决的难题:第一，已知物体运动的距离是时间的函数，如何求出物体在任意时刻的速度和加速度，反之，已知加速度，如何求速度和距离；第二，如何求曲线的切线；第三，如何求函数的最大值与最小值问题，如求炮弹获得最大射程的发射角等；第四，如何求曲线围成的面积和曲面围成的体积，如何求物体的重心等。—18世纪的科学技术上述这些问题都要求数学能提供一种方便而可靠的运算方法。而欧几里德几何学和16世纪的代数学都还不能满足这种需求。这就促使科学家去寻找新的数学方法。在牛顿和莱布尼茨之前，已先后有许多科学家从不同的方面探索和研究这些问题。﹡开普勒在关于求最大值和最小值问题上曾做过具有开创性的研究。﹡伽利略用不可分量和数学无限小概念讨论自由落体运动。﹡卡瓦列里和华利斯的贡献在于求曲线下的面积。—18世纪的科学技术牛顿（1642—1727）创立了微积分学:牛顿把自己发明的微积分方法称为流数法。写在《自然哲学的数学原理》里。莱布尼茨(1646—1716）德国著名哲学家和数学家，独立地创立了微积分，享年70岁。科学史家认为，牛顿是微积分的第一个发明者，莱布尼茨是第二个发明者。牛顿比莱布尼茨早10年发明微积分。他们二人的主要贡献是提供了一种比欧几里德几何学更为有效的数学工具。—18世纪的科学技术进入18世纪以后，许多科学家对微积分作了进一步的研究，从而产生了许多新的数学分支学科。最著名的人物有欧勒、拉格朗日和拉普拉斯等。但牛顿所留下的微积分的基础问题仍然没有得到很好的解决。欧勒(LeonhardEuler,1707-1783)生于瑞士。拉格朗日拉普拉斯（1736—1813）（1749—1827）—18世纪的科学技术直到19世纪，法国数学家柯西(Cauchy，1789-1857)用极限理论把微分、积分、无穷级数的概念严密化，使微积分学才有了今天这样的特色。柯西被后世尊称为近代意义严格微积分的奠基者。柯西1789年8月2l日出生于巴黎，在幼年时，他父亲常带他到参议院内的办公室指导他学习，因此他有机会遇到参议员拉普拉斯和拉格朗日两位大数学家。他们对他的才能十分赏识；拉格朗日认为他将来必定会成为大数学家，但建议他的父亲在他学好文科前不要学数学。—18世纪的科学技术二、物理学的发展热学瓦特（1736-1819）静电学库仑（1736-1819）电学富兰克林（1706-1790）电池伏打（1745-1827）电磁学奥斯特（1777-1851）—18世纪的科学技术二、物理学的发展古希腊给后世留下了欧几里德几何学和托勒密太阳系，阿拉伯人流传下十进位制、代数学、现代的数字和炼金术。中世纪给后人留下的东西不多。从哥白尼开始，当时的自然科学的主要工作就是掌握手边现有的材料。在大多数部门还必须完全从头做起。17世纪，实验科学如雨后春笋般地发展，在自然科学的园地里，人们从实验和理论结合上对自然进行探索，工匠传统和学者理性结合，产生了新的研究方法，造成了近代科学的最初成果。—18世纪的科学技术1．热学伽利略1593年制成第一个空气式温度计。研究热现象从测温开始。18世纪布莱克提出热质说，认为热是一种特殊的物质，是一种流体，它可以渗透到物体中去，并在热交换中从一个物体流向另一个物体，但热质的总量守恒。化学家布莱克（JosephBlack）1728年4月16日生于法国。—18世纪的科学技术由于热质说能解释许多已知的热现象，因而一度成为18世纪占统治地位的热学学说。1760年布莱克还区分了热和温度，提出了“潜热”、“比热”等概念，打下了量热学的基础。这些观点对瓦特改进蒸汽机有很大帮助。瓦特(JamesWatt,1736-1819年)苏格兰发明家苏格兰威尔士—18世纪的科学技术2．电学威廉·吉尔伯特（W.Gilbert,1540-1603）英国医生、物理学家。1540年5月24日诞生于英格兰科尔切斯特的艾塞克斯的一个中产阶级家庭。尽管以磁学研究的先驱而闻名于世，但他终生的职业是医生。1601年被招为伊丽莎白女王的宫廷医生。吉尔伯特起初研究过化学，后来花了二十年左右的时间，进行了关于电和磁的实验。1603年12月10日在英国伦敦去世，终年63岁。—18世纪的科学技术吉尔伯特终生独身，将闲暇全都用于搞物理实验。1600年出版的《论磁》一书，是他在物理学史上留下了不朽的位置。吉尔伯特对电作过详细研究。他用琥珀、金刚石、蓝宝石、硫黄、明矾等作了一系列实验，发现经过摩擦，它们都可以具有吸引轻小物体的性质。他认识到这是一种物质普遍具有的现象，因此根据希腊文琥珀（ηλεκτορν）引入“电的”(electric)一词，并把像琥珀这样经过摩擦后能吸引轻小物体的物体称做“带电体”。吉尔伯特还发明了第一只验电器。—18世纪的科学技术1650年，德国物理学家格里凯（OttovonGuericke，1602-1685），在对静电研究的基础上。制造了世界上第一架起电机。实证了著名的马德堡半球实验。法国人丢费通过实验发现自然界中有正、负两种不同的电，并用实验证明了电有：同性相斥、异性相吸的性质。1745—1746年荷兰莱顿大学的克莱斯和马森布洛克发明了一种能储存电荷的装置—莱顿瓶。—18世纪的科学技术莱顿瓶莱顿大学教授马森布洛克在收集电—18世纪的科学技术18世纪70年代，英国卡文迪什（H.Cavendish，1731—1810）用实验证明：静电荷之间的作用力和它们间距离的平方成反比。他还确定了万有引力常数G，计算了地球的质量。后人称他为“第一个称量地球的人”。1785年库仑1736-1819用自制的扭秤实测了电荷间作用力的大小，发现了库仑定律，这是电学史上第一个定量规律。这一成果标志着电学研究从定性进入定量阶段，开始走上了科学的行列。—18世纪的科学技术1752年10月富兰克林在费城做了著名的风筝实验，证明天空闪电和地电相同。他还发明了避雷针。富兰克林（1706-1790）风筝雷电实验—18世纪的科学技术意大利解剖学教授伽伐尼在1780年通过蛙腿实验偶然发现了电流，伽伐尼认为存在着“动物电”。显然他的观点是错误的，但他的发现激发人们对电流的进一步研究。伽伐尼(1737～1789)—18世纪的科学技术1775—1800年间意大利巴维亚大学自然哲学教授、校长伏打亲自作了蛙腿实验后，发现伽伐尼的解释不对。他指出，伽伐尼电在本质上是两种不同金属和湿的动物体连在一起引起的，不是动物电而是金属电。伏打进一步研究发明了世界上第一个产生电流的装置——伏打电池。伏打在重做蛙腿实验伏打（1745-1827）1800年建立伏打电堆模型—18世纪的科学技术3．电磁学用实验方法探索磁的性质并从理论上加以概括的早期科学家是吉尔伯特。吉尔伯特（1540-1603）根据自己所知道的磁力现象，建立了一个初步的但相当重要的理论体系：﹡地球是一块巨大的磁石，只是表面上为一层水、岩石和沙土遮盖着。﹡地球这块大磁石的两极与地理上的两极接近，但不完全重合，地磁的北极所吸引的是磁石的真正南极。—18世纪的科学技术奥斯