科技史第十講近代經(jīng)典力學(xué)體系的建立

科技史第十講近代經(jīng)典力學(xué)體系的建立演示文稿1當(dāng)前1頁，總共90頁。2優(yōu)選科技史第十講近代經(jīng)典力學(xué)體系的建立當(dāng)前2頁，總共90頁。第十講近代經(jīng)典力學(xué)體系的建立當(dāng)前3頁，總共90頁。內(nèi)容簡介1.了解近代資本主義工場手工業(yè)技術(shù)進(jìn)步對近代力學(xué)的推動作用；2.把握牛頓之前近代力學(xué)發(fā)展的基本線索，重點(diǎn)掌握伽利略的力學(xué)成就和實(shí)驗(yàn)方法的意義；3.深入認(rèn)識牛頓在力學(xué)上的重大成就及其意義；4.全面理解牛頓力學(xué)產(chǎn)生的歷史必然性，尤其是牛頓力學(xué)的社會經(jīng)濟(jì)根源。當(dāng)前4頁，總共90頁。一、近代力學(xué)知識的積累1.伽利略的力學(xué)貢獻(xiàn)2.開普勒三定律的發(fā)現(xiàn)3.惠更斯、胡克等人的貢獻(xiàn)二、牛頓力學(xué)體系的建立1.近代最偉大的科學(xué)家—牛頓2.牛頓經(jīng)典力學(xué)體系的創(chuàng)立等當(dāng)前5頁，總共90頁。一、近代力學(xué)知識的積累伽利略（GalileoGalilei）1564年2月15日生于比薩當(dāng)前6頁，總共90頁。1.伽利略的力學(xué)貢獻(xiàn)單擺的發(fā)明早在1581年，伽利略有一次到教堂去做禮拜，他看著搖晃的蠟燭架子擺動越來越小，最后慢慢停了下來。伽利略尋思：每次擺動的時(shí)間是否也越來越短？對此他數(shù)著脈搏作了測量。結(jié)果令他奇怪，盡管每次擺動的幅度越來越小，但每擺動一次的時(shí)間總是一樣的?；丶液筚だ杂靡桓K子綁了不同重量的石頭重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)結(jié)果都是一樣的。發(fā)現(xiàn)：對于給定的繩子長度，不管綁的是重石頭還是輕石頭，擺動周期都相同。這就是我們現(xiàn)在都熟悉的單擺裝置的問世。當(dāng)前7頁，總共90頁。落體單擺的運(yùn)動是重力引起下落的特例。如果我們放開一塊石頭，沒有東西拴住它，它就會一直掉到地上。但是石頭如果拴在繩子的一端，繩子的另一端固定在天花板上，那么石頭被迫沿著一段圓弧下落。不管輕的或重的石頭，它們拴在同一根繩子上，到達(dá)最低點(diǎn)的時(shí)間總是相同的。那么，這兩塊石頭在同一高度放手后，掉到地上的時(shí)間也一定相同。這個(gè)結(jié)論與當(dāng)時(shí)公認(rèn)的亞里士多德的觀點(diǎn)相抵觸——后者認(rèn)為重的東西比輕的東西下落的快！

當(dāng)前8頁，總共90頁。比薩斜塔上的實(shí)驗(yàn)為了向別人證明自己是正確的，伽利略從比薩斜塔上扔下了兩個(gè)重量不同的球，結(jié)果兩個(gè)同時(shí)扔下的球同時(shí)著了地。歷史考證似乎證明這次演示沒有真得做過，但是伽利略肯定做過類似的實(shí)驗(yàn)——也許不在塔頂上，而是在自家房屋頂上。

當(dāng)前9頁，總共90頁?！跋♂屩亓Α辟だ栽趯?shí)驗(yàn)中觀察到，當(dāng)石頭被放開后，它在空中下落的速度越來越快。伽利略想知道這種越來越快的下落運(yùn)動符合什么樣的數(shù)學(xué)定律。由于自由落體運(yùn)動得太快，伽利略沒有現(xiàn)代的高速照相機(jī)，所以無法對落體運(yùn)動進(jìn)行詳細(xì)研究。但是，伽利略想出了“稀釋重力”的辦法。他用球在斜面上滾動，斜面越陡，球滾動的越快。在垂直面的極限情況下，球沿這個(gè)面自由落下。

當(dāng)前10頁，總共90頁?！跋♂屩亓Α焙退?/p>

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中伽利略面臨的主要困難是測量小球走過不同距離所需要的時(shí)間。當(dāng)時(shí)鐘表還沒有發(fā)明，伽利略想出來的解決辦法是用“水鐘”,通過一個(gè)大容器里流出的水量來測量時(shí)間。

當(dāng)前11頁，總共90頁。不同的斜面

伽利略記下小球從起點(diǎn)開始在相同時(shí)間間隔內(nèi)走過的距離，發(fā)現(xiàn)這些距離成1:3:5:7……的比例。當(dāng)斜面更陡時(shí)，相等時(shí)間里小球走過的相應(yīng)距離也變長，但是它們的比例保持不變。伽利略推測這個(gè)規(guī)律在自由下落的極限情形下也一定成立。

當(dāng)前12頁，總共90頁。速度=常數(shù)×?xí)r間在數(shù)學(xué)上，上面這個(gè)規(guī)律很容易改寫成：小球走過的總距離與所經(jīng)過時(shí)間的平方成正比。如果把小球在第一段時(shí)間間隔內(nèi)所走過的距離取作單位長度，那么在以后一系列時(shí)間間隔的末尾，小球走過的總距離將是12:22:32:42……V1=1/1=1；V2=4/2=2V3=9/3=3；V4=16/4=4

因此，速度與時(shí)間成正比：當(dāng)前13頁，總共90頁。落體規(guī)律伽利略還證明了，在從靜止開始的勻加速運(yùn)動中，運(yùn)動物體走過的距離是它在整個(gè)時(shí)間內(nèi)以不變的速度運(yùn)動時(shí)所應(yīng)走過距離的一半。因此這種從現(xiàn)象中抽出物理規(guī)律，并用數(shù)學(xué)公式表述之的研究方法成為近代以后科學(xué)的基本特征。

當(dāng)前14頁，總共90頁。平拋物體之運(yùn)動合成伽利略對動力學(xué)的另一個(gè)重要貢獻(xiàn)，是關(guān)于運(yùn)動合成的觀念。對于水平拋出的石頭，伽利略認(rèn)為這塊石頭參與了兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動：

1）速度恒定的水平運(yùn)動，這個(gè)速度是拋石頭的手給它的；

2）速度與時(shí)間成正比的自由落體運(yùn)動。

當(dāng)前15頁，總共90頁。運(yùn)動的船伽利略的運(yùn)動合成觀念具有深刻的物理意義。假定從一艘快速運(yùn)動的帆船的桅桿頂上投下一塊石頭，它將掉在何處？在伽利略時(shí)代，大家相信亞里士多德的教導(dǎo)，認(rèn)為物體只有受到推力時(shí)才運(yùn)動。推力一旦消失，運(yùn)動就要停止。根據(jù)這種觀點(diǎn)，在桅桿頂上投下的石頭會垂直掉下來，而船在繼續(xù)前進(jìn)，這樣石頭會掉在船尾附近的甲板上。當(dāng)前16頁，總共90頁。伽利略的答案當(dāng)放手的瞬間石頭也具有與船一樣的水平速度，所以放手之后它還會繼續(xù)以這一水平速度運(yùn)動，直到它落到桅桿底部前，一直保持這個(gè)水平速度。石頭運(yùn)動的垂直部分是加速的自由落體運(yùn)動，所以它將正好落在桅桿底部的甲板上。在這里，伽利略涉及了一條運(yùn)動學(xué)的基本原理——運(yùn)動相對性原理。在1632年出版的《對話》中，伽利略對運(yùn)動的相對性作了生動的描述。

當(dāng)前17頁，總共90頁。密閉的船艙內(nèi)

設(shè)想把你和你的朋友關(guān)在一只大船的艙板下最大的房間里，里面招來一些蚊子、蒼蠅以及諸如此類有翅膀的小動物。再拿一只盛滿水的大桶，里面放一些魚；再把瓶子掛起來，讓它可以一滴一滴地把水滴出來，滴入下面放著的另一只窄頸瓶子中。當(dāng)前18頁，總共90頁。船靜止

于是，船在靜止不動時(shí)，我們看到這些有翅膀的小動物如何以同樣的速度飛向房間各處；看到魚如何毫無差別地向各個(gè)方向游動；又看到滴水如何全部落到下面所放的瓶子中。而當(dāng)你把什么東西扔向你的朋友時(shí)，只要他和你的距離保持一定，你向某個(gè)方向扔時(shí)不必比向另一個(gè)方向要用更大的力。如果你在跳遠(yuǎn)，你向各個(gè)方向會跳得同樣遠(yuǎn)。當(dāng)前19頁，總共90頁。船運(yùn)動

盡管看到這一切細(xì)節(jié)，但是沒有人懷疑，如果船上情況不變，當(dāng)船以任意速度運(yùn)動時(shí)這一切應(yīng)當(dāng)照樣發(fā)生。只要這運(yùn)動是均勻的，不在任何方向發(fā)生搖擺，你不能辨別得出上述這一切結(jié)果有絲毫變化，也不能靠其中任何一個(gè)結(jié)果來推斷船是在運(yùn)動還是靜止不動。當(dāng)前20頁，總共90頁。伽利略的力學(xué)貢獻(xiàn)總結(jié)(1)伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)，開創(chuàng)了以可控性實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的近代科學(xué)的新時(shí)代。(2)伽利略的力學(xué)成就：勻加速運(yùn)動定律；自由落體定律；慣性原理；拋射體運(yùn)動定律。(3)將實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)學(xué)推理有機(jī)結(jié)合起來，為近代科學(xué)理論的建構(gòu)提供了基本范式。當(dāng)前21頁，總共90頁。2.開普勒三定律的發(fā)現(xiàn)

（1）星學(xué)之王——第谷第谷（TychoBrahe1546-1601）出生于一個(gè)丹麥貴族家庭，很小就進(jìn)哥本哈根大學(xué)學(xué)習(xí)。由于有特權(quán)的出身，可以免于通常的謀職壓力。他從一個(gè)大學(xué)徘徊到另一個(gè)大學(xué)。16歲時(shí)的第谷已經(jīng)對天文現(xiàn)象十分感興趣了。第谷當(dāng)前22頁，總共90頁。王室資助第谷對新星和大彗星的觀測，使用的是商業(yè)上可得到的儀器；但是直到大彗星出現(xiàn)之際，第谷一直在致力于儀器和觀測技術(shù)的基本改革。為此目的，他將需要王室級別上的資金資助。

1575年第谷拜訪了黑森伯爵威廉四世──也是一位非常熱心的觀測者。可能是在伯爵的推薦下，次年第谷被丹麥國王授權(quán)掌管了在丹麥海峽的汶島（Hven）。在那里，第谷有了空間、時(shí)間和財(cái)政來源，建立了基督教歐洲第一個(gè)重要的天文臺。當(dāng)前23頁，總共90頁。精密天文學(xué)第谷的天文學(xué)工作主要在實(shí)測方面，他研究了精密天文學(xué)的大多數(shù)問題，包括研制建造高精度的天文儀器，獲得精確而系統(tǒng)的觀測資料，以很高的精度測定了許多重要的天文常數(shù)。當(dāng)前24頁，總共90頁。宇宙學(xué)的考慮每個(gè)天文學(xué)家都是潛在的宇宙學(xué)家，第谷也不例外。對我們來說，第谷在觀測方面的改革是他最大的成就，因?yàn)樗o天文學(xué)帶來了對事實(shí)的尊重，這在我們看來是具有現(xiàn)代科學(xué)特征的。但對于他自己，最自豪的也許是提出了被稱為“第谷體系”的宇宙論，這個(gè)體系很快取代了托勒密成為最流行的地心宇宙圖象。第谷雖然頗能欣賞哥白尼宇宙學(xué)說的優(yōu)點(diǎn)，但他是個(gè)傳統(tǒng)主義者，他認(rèn)為哥白尼那樣做的代價(jià)太高了。當(dāng)前25頁，總共90頁。第谷體系地球靜止，位于中心。周圍環(huán)繞著月亮和太陽。五顆行星是太陽的衛(wèi)星，并且在太陽的帶動下繞地球旋轉(zhuǎn)。在最遠(yuǎn)的行星到達(dá)的地方之外是一層很薄的空間外殼，這個(gè)外殼以地球?yàn)橹行?，恒星就在這個(gè)外殼上。第谷的宇宙顯得令人安心地緊湊，其半徑相當(dāng)于地球半徑的14,000倍。即使是托勒密的宇宙半徑也比它大一半。當(dāng)前26頁，總共90頁。一個(gè)時(shí)代的結(jié)束第谷的“天堡”始終是脆弱的，因?yàn)樗荒芤揽客跫屹澲说臒崆閬砭S持。1588年弗里德里希二世（FrederickII）的去世并沒有立即帶來變化，因?yàn)楹髞頂z政的也被第谷的家庭和朋友主宰著。但隨著時(shí)間的推移，年輕的克里斯蒂安四世開始親政，汶島的升平歲月結(jié)束了。1597年第谷離開了天堡，兩年之后，他到了布拉格，開始為更欣賞他的贊助人魯?shù)婪蚧实鄱婪?wù)。當(dāng)前27頁，總共90頁。一個(gè)邀請魯?shù)婪驑O盡慷慨之能事，但此時(shí)的第谷已經(jīng)失去了觀測的興趣。他的四個(gè)儀器仍然留在汶島，剩下最大的一個(gè)收藏在馬格德堡。他主要關(guān)心的是對他過去研究成果的出版。第谷現(xiàn)在只有幾個(gè)月的生命了，就在這幾個(gè)月里，他再次向一位年輕人約翰尼斯·開普勒發(fā)出了先前已經(jīng)作出過的邀請，請他前來擔(dān)任助手，而這一次開普勒接受了。當(dāng)前28頁，總共90頁。（2）開普勒發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)動三定律開普勒（JohannesKepler1751-1630）1571年12月27日出生于斯圖加特附近魏爾市的一個(gè)中等家庭。進(jìn)圖賓根大學(xué)，打算進(jìn)入仕途，但在1594年他被提名出任格拉茨的數(shù)學(xué)教師。1600年初他應(yīng)邀到布拉格拜訪第谷；年末在格拉茨受到宗教迫害之后回到布拉格成為第谷的助手，并于1601年成為第谷的接班人。當(dāng)前29頁，總共90頁。遺囑第谷積累了大量的行星觀測資料，一直試圖根據(jù)這些觀測結(jié)果建立一個(gè)數(shù)值行星理論，以滿足星歷表的簡便編算，但是他的早逝使得他沒有實(shí)現(xiàn)愿望。第谷在病榻上把這項(xiàng)工作托付給開普勒。據(jù)說他囑咐開普勒要按照第谷體系，而不是按照哥白尼的體系構(gòu)建新理論。當(dāng)前30頁，總共90頁。三大遺產(chǎn)開普勒最終能在行星運(yùn)動理論上取得突破性的成就，獲益于他能獲得的三大遺產(chǎn)：

(1)哥白尼的日心體系。

(2)第谷的精確觀測資料――火星的位置資料。

(3)威廉·吉爾伯特（WilliamGilbert，1544－1603）的《論磁》（OntheMagnet1600），在書中他認(rèn)為地球是一個(gè)巨大的球形磁體。

當(dāng)前31頁，總共90頁。偏差根據(jù)開普勒的正多面體模型計(jì)算出來的行星距離與觀測所得并不完全一致。但開普勒在當(dāng)時(shí)簡單地把這種偏差歸咎于觀測的誤差。直到他得到第谷的那些無可爭議的精確觀測資料之后，開普勒對行星的距離和運(yùn)動進(jìn)行了更細(xì)致的研究。當(dāng)前32頁，總共90頁。拋棄圓開普勒能夠用單個(gè)圓構(gòu)成的模型生成火星的黃經(jīng)運(yùn)動；但是當(dāng)他研究這個(gè)圓是否也能說明行星的黃緯運(yùn)動時(shí)，他發(fā)現(xiàn)有8′的誤差。這誤差對于任何一個(gè)第谷的前輩，都是可以接受的，但是第谷觀測的精確性高于8′，要作為一個(gè)理想的解決方法，圓不得不被放棄。當(dāng)前33頁，總共90頁。行星運(yùn)動速度不均勻?yàn)榱藢ふ姨娲碚?，開普勒暫時(shí)放開火星，開始研究地球的運(yùn)動。剛開始研究地球運(yùn)動，開普勒就發(fā)現(xiàn)，依然需要偏心圓。只是地球的偏心率比火星的更小。這樣，為了搞清楚偏心問題，開普勒轉(zhuǎn)而注意起行星的運(yùn)動速度不均勻這一現(xiàn)象。

當(dāng)前34頁，總共90頁。行星速度與離開太陽的距離成反比開普勒證實(shí)了行星在遠(yuǎn)日點(diǎn)和近日點(diǎn)的速度大致與行星到太陽的距離成反比。于是他把這個(gè)結(jié)論加以推廣。認(rèn)為行星的速度與離開太陽的距離成反比：

事實(shí)上這個(gè)結(jié)論是錯誤的。

當(dāng)前35頁，總共90頁。行星繞日運(yùn)動的物理原因：力開普勒不把哥白尼體系當(dāng)成純粹的數(shù)學(xué)虛構(gòu)，而是把它作為實(shí)在的東西接受，并進(jìn)而考察行星繞日運(yùn)動的物理原因。起先，開普勒懷著神秘的想法，認(rèn)為行星具有靈魂或意志，它們有意識地使行星運(yùn)動。等到發(fā)現(xiàn)行星的速度與到太陽的距離成反比這一結(jié)果，開普勒拋棄了靈魂的想法，提出了力（vis）作用于行星的見解。

當(dāng)前36頁，總共90頁。對亞里斯多德的反叛和繼承開普勒體現(xiàn)了一種對亞里斯多德物理學(xué)的反叛和繼承。在亞里斯多德那里，天體運(yùn)動是自然運(yùn)動，沒有必要作出更詳細(xì)的說明。把天體運(yùn)動看做是有力引起的，意味著拋棄以“固有位置”為根基的運(yùn)動論。但是，這里開普勒只是把地上的亞里斯多德力學(xué)推廣到了天上。行星的速度和所受力都與到太陽的距離成反比，完全符合運(yùn)動速度與所受力成正比的亞里斯多德運(yùn)動學(xué)規(guī)律。

當(dāng)前37頁，總共90頁。拋棄柏拉圖以來的信條開普勒找到了計(jì)算給定時(shí)刻的行星位置的方法。據(jù)此，從給定的三個(gè)位置就能計(jì)算出該行星的遠(yuǎn)日點(diǎn)位置、偏心率。開普勒挑選了火星的幾組三個(gè)位置進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)結(jié)果互相不一致。于是開普勒拋棄了從柏拉圖以來把天體看做沿圓形軌道運(yùn)動的信條，并得出結(jié)論說：火星軌道不可能是圓形。

當(dāng)前38頁，總共90頁。開普勒第一定律為了找到正確的軌道形狀，開普勒起先考慮卵形軌道，但計(jì)算結(jié)果難以與面積定律符合。后來他嘗試橢圓，經(jīng)過冗長的計(jì)算和“簡直發(fā)瘋似的思索”，最后他確認(rèn)，唯有橢圓才是火星的軌道。開普勒再次大膽地把從火星得來的規(guī)律推廣到所有行星。

當(dāng)前39頁，總共90頁?！缎绿煳膶W(xué)》NewAstronomy在1609年出版的《新天文學(xué)》中，開普勒發(fā)表了行星運(yùn)動的第一定律和第二定律。這是一本令人望而生畏的巨著，從概念上說，它在數(shù)學(xué)和作為基礎(chǔ)的物理學(xué)兩方面都是可疑的。它所表達(dá)的革命顯示在書的全名：《新天文學(xué)：基于原因或天體的物理學(xué)，關(guān)于火星運(yùn)動的有注釋的論述》。開普勒把作為幾何學(xué)一個(gè)分支的天文學(xué)轉(zhuǎn)變成了物理學(xué)的一個(gè)分支。當(dāng)前40頁，總共90頁。開普勒第一定律：橢圓定律

行星沿橢圓軌道繞太陽運(yùn)動，太陽是位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上（1609《新天文學(xué)》）當(dāng)前41頁，總共90頁。開普勒第二定律：面積定律從太陽到行星的矢徑在相等時(shí)間里掃過相等的面積（1609《新天文學(xué)》）當(dāng)前42頁，總共90頁。天體音樂

開普勒尋求在幾何學(xué)和天文學(xué)的各個(gè)方面可以發(fā)現(xiàn)的算術(shù)比例中的和諧，在《宇宙和諧論》第五卷中，他研究了行星在軌道上的加速和減速等問題，他相信能夠從中得出天體音樂的真正音符。當(dāng)前43頁，總共90頁。開普勒的“第三定律”開普勒還在《宇宙和諧論》中尋求能揭示行星軌道大小和周期數(shù)學(xué)模型；他不知何故發(fā)現(xiàn)了如下事實(shí)：行星周期的平方和其軌道半徑的立方成固定比例。哥白尼曾很高興地發(fā)現(xiàn)，一個(gè)行星離太陽越遠(yuǎn)，它的旋轉(zhuǎn)周期越長。開普勒現(xiàn)在知道了確證這個(gè)事實(shí)的數(shù)學(xué)規(guī)律。當(dāng)前44頁，總共90頁。開普勒第三定律：周期定律各行星公轉(zhuǎn)周期的平方與軌道半長徑的立方成正比（1619《宇宙和諧論》）當(dāng)前45頁，總共90頁。開普勒行星運(yùn)動三定律（1）軌道定律

（2）面積定律（速率v近日>v遠(yuǎn)日）

(SAB=SCD=SEK)

（3）周期定律(R3/T2=K)

當(dāng)前46頁，總共90頁。3.惠更斯、胡克等人的貢獻(xiàn)（1）惠更斯的向心力定律F=mv2/r（2）胡克的平方反比定律：天體間的引力與兩天體之間的距離平方成反比惠更斯向心定律

平方反比定律當(dāng)前47頁，總共90頁。二、牛頓力學(xué)體系的建立（一）近代最偉大的科學(xué)家——牛頓（二）牛頓經(jīng)典力學(xué)體系的創(chuàng)立（三）牛頓力學(xué)的重大歷史意義與局限性（四）牛頓經(jīng)典力學(xué)體系產(chǎn)生的歷史必然性（五）牛頓力學(xué)的應(yīng)用與完善當(dāng)前48頁，總共90頁。（一）近代最偉大的科學(xué)家—牛頓1.沉靜多思的有志少年2.開創(chuàng)“牛頓時(shí)代”的科學(xué)泰斗3.彷徨于科學(xué)與宗教之間的神學(xué)家

牛頓環(huán)牛頓追光燈牛頓拋物線科學(xué)巨人牛頓當(dāng)前49頁，總共90頁。孤寂的家庭生活使他養(yǎng)成了沉靜多思的性格;少年牛頓不顯聰明但善于制作儀器;牛頓雖輟學(xué)在家助耕，但仍繼續(xù)攻讀;牛頓復(fù)學(xué)后發(fā)奮學(xué)習(xí)，成為一名成績優(yōu)秀的學(xué)生。1.沉靜多思的有志少年

伊薩克·牛頓(IsaacNewton,1642～1727)當(dāng)前50頁，總共90頁。2.開創(chuàng)“牛頓時(shí)代”的科學(xué)泰斗

1661年6月5日，牛頓考上劍橋大學(xué)三一學(xué)院。1665-1666年牛頓因倫敦鬧瘟疫回故鄉(xiāng)躲避這是他科學(xué)創(chuàng)造精力最為旺盛、科學(xué)成績最大的時(shí)期。1667年，牛頓回到劍橋，當(dāng)先為三一學(xué)院的研究員。劍橋大學(xué)三一學(xué)院劍橋大學(xué)王后學(xué)院牛頓數(shù)學(xué)橋當(dāng)前51頁，總共90頁。

1669年巴羅鑒于牛頓的數(shù)學(xué)天才，毅然辭去“數(shù)學(xué)盧卡斯講座”教授職位而讓年僅27歲的牛頓接替。

1669-1687年，牛頓制造了反射式望遠(yuǎn)鏡，提出了光微粒說，發(fā)展了流數(shù)法，系統(tǒng)研究了理論力學(xué)，并以1687年7月《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》的出版而達(dá)到高潮。牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》牛頓正在做三棱鏡分光實(shí)驗(yàn)牛頓制作的反射式望遠(yuǎn)鏡牛頓的微積分手稿當(dāng)前52頁，總共90頁。

恩格斯高度評價(jià)牛頓

對近代自然科學(xué)的巨大貢獻(xiàn)

“牛頓由于發(fā)明了萬有引力定律而創(chuàng)立了科學(xué)的天文學(xué)，由于進(jìn)行了光的分解而創(chuàng)立了科學(xué)的光學(xué)，由于創(chuàng)立了二項(xiàng)式定理而創(chuàng)立了科學(xué)的數(shù)學(xué)，由于認(rèn)識了力的本性創(chuàng)立了科學(xué)的力學(xué)。”（《馬克思恩格斯全集》第1卷，人民出版社1956年版第657頁）正因?yàn)榕ｎD在近代自然科學(xué)的諸多領(lǐng)域做出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)，以至人們將十七、十八世紀(jì)稱為“牛頓時(shí)代”。當(dāng)前53頁，總共90頁。3.彷徨于科學(xué)與宗教之間的神學(xué)家

《原理》出版以后，牛頓還做過一些化學(xué)實(shí)驗(yàn)，手稿不幸被焚毀；由于《原理》不提上帝和蘊(yùn)涵“反神創(chuàng)論”傾向受到宗教界和部分科學(xué)家的抨擊和反對；胡克1692年向皇家學(xué)會提出萬有引力定律發(fā)現(xiàn)權(quán)問題。上述原因使性格孤僻而內(nèi)向的牛頓因過度苦惱而神經(jīng)衰弱以致失常。胡克當(dāng)前54頁，總共90頁。

牛頓在1669年被任命為造幣廠廠長，1703年當(dāng)選皇家學(xué)會主席，1705年被封為貴族，還做過議員，終身末婚。在其后半生的近40年中，他除了從事學(xué)術(shù)領(lǐng)導(dǎo)、貨幣改革、研究煉金術(shù)和注釋圣經(jīng)外幾乎沒有什么突出的科學(xué)成就。牛頓于1727年3月20日凌晨在睡夢中去世。他是英國歷史上第一個(gè)獲得國葬待遇的科學(xué)家。牛頓的葬禮當(dāng)前55頁，總共90頁。

安葬牛頓的威斯敏斯特教堂的紀(jì)念碑上刻著一首詩:“這里躺著牛頓爵士，他以超人的智力首先證明了行星的運(yùn)動和圖形、彗星的軌道和海洋的潮汐。他孜孜不倦地研究光線的各種折射率及其所產(chǎn)生顏色的種種性質(zhì)。對于自然、考古和圣經(jīng)是一位前所未有的勤奮、敏銳而忠實(shí)的詮釋者。他的哲學(xué)中確認(rèn)了上帝的尊嚴(yán)，他的行為中展現(xiàn)了真正的純樸。讓人類歡呼曾經(jīng)生存過這樣偉大的一位人類之光吧!”當(dāng)前56頁，總共90頁。牛頓晚年熱衷于宗教事務(wù)，不能簡單地斥之為搞宗教迷信和唯心主義。其實(shí)，科學(xué)與宗教的關(guān)系是極其復(fù)雜的?？茖W(xué)與宗教是牛頓學(xué)術(shù)生涯的兩翼，對它們的研究常常是交織在一起的。作為清教徒的牛頓對神學(xué)的研究具有明顯的異教傾向，他把上帝理性化了，認(rèn)識上帝被看作是追求真理。其結(jié)果是使牛頓既可以發(fā)現(xiàn)真理，也可能走入死胡同。當(dāng)前57頁，總共90頁。

牛頓經(jīng)典力學(xué)體系，是以絕對化的四個(gè)基本概念空間、時(shí)間、質(zhì)量、力為基礎(chǔ)，以著名的三大定律為核心，以萬有引力定律為最高的綜合，用微積分來描述物體運(yùn)動的因果律的一個(gè)結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、邏輯嚴(yán)密、以實(shí)驗(yàn)和觀察對結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證的科學(xué)體系?！对怼肪褪沁@個(gè)體系的集中表現(xiàn)。（二）牛頓經(jīng)典

力學(xué)體系的創(chuàng)立當(dāng)前58頁，總共90頁。1.力學(xué)三大定律的建立

牛頓以哥白尼體系為力學(xué)運(yùn)動規(guī)律的參考系，利用古希臘哲學(xué)關(guān)于物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)的思想，以自然科學(xué)唯物主義為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)他自己建立的同物質(zhì)運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)的時(shí)間、空間、力和質(zhì)量等概念，結(jié)合伽利略對自由落體研究所發(fā)現(xiàn)的慣性運(yùn)動和在重力作用下的勻加速運(yùn)動等成果，提出了力學(xué)的三大定律。古希臘哲學(xué)對物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)的詮釋伽利略的自由落體實(shí)驗(yàn)哥白尼的日心說當(dāng)前59頁，總共90頁。第一定律:“每一個(gè)物體都始終維持在靜止或勻速直線運(yùn)動的狀態(tài)，只有受了外加的力，才被改變其狀態(tài)”。

A.第一定律牛頓的第一定律當(dāng)前60頁，總共90頁。伽利略的自由落體實(shí)驗(yàn)第一定律也叫慣性定律，最早由伽利略發(fā)現(xiàn)。對于慣性定律，伽利略的認(rèn)識是不徹底的。他沒有完全擺脫亞里士多德的影響，不能把物體保持慣性運(yùn)動的屬性作為一個(gè)普遍的自然規(guī)律來加以認(rèn)識。牛頓從伽利略的發(fā)現(xiàn)中看到了這一性質(zhì)的普遍意義并把它表述為一個(gè)自然規(guī)律。當(dāng)前61頁，總共90頁。第二定律：“運(yùn)動的改變和所加的外力成正比，并且發(fā)生在所加的力的那個(gè)直線方向上”。經(jīng)典公式：F=maB.第二定律牛頓的第二定律當(dāng)前62頁，總共90頁。為了衡量物體運(yùn)動狀態(tài)的變化，牛頓總結(jié)了笛卡兒和惠更斯對物體碰撞的研究成果，利用伽利略等人提出的加速度的概念，與他自己提出的力、質(zhì)量、動量等概念相結(jié)合，提出了第二定律。牛頓規(guī)定，物體的動量以它們的速度和質(zhì)量的乘積來度量。外力的變化與動量的變化成正比。牛頓的質(zhì)點(diǎn)動量定理當(dāng)前63頁，總共90頁。第三定律：“每一個(gè)作用總是有一個(gè)相等的反作用和它相對抗；或者說，兩物體彼此之間的相互作用永遠(yuǎn)相等，并且各自指向其對方?！钡谌商岣吡说诙傻倪m用性。第三定律使質(zhì)點(diǎn)力學(xué)向質(zhì)點(diǎn)組力學(xué)過渡。C.第三定律當(dāng)前64頁，總共90頁。

自行星運(yùn)動的正圓軌道被打破后，天文學(xué)家開始關(guān)注行星為什么總是繞太陽作封閉曲線運(yùn)動，而不是作直線運(yùn)動離開太陽的問題。2.萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)當(dāng)前65頁，總共90頁。

1684年1月，胡克聲稱發(fā)現(xiàn)了天體在與距離平方成反比的力作用下的軌道運(yùn)行規(guī)律。但他未能做出數(shù)學(xué)證明。

胡克當(dāng)前66頁，總共90頁。

1684年，哈雷請教牛頓在與距離平方反比的力作用下行星作何運(yùn)動，牛頓肯定運(yùn)動軌道是橢圓，并于當(dāng)年11月就行星運(yùn)動軌道與按距離平方反比的作用力之關(guān)系作了透徹的數(shù)學(xué)證明。哈雷當(dāng)前67頁，總共90頁。牛頓當(dāng)時(shí)面臨的主要困難是，他不能肯定是否應(yīng)該由地心開始計(jì)算月地距離，因?yàn)檫@牽涉到地球?qū)υ铝恋囊κ欠裾袼娜抠|(zhì)量都集中在中心點(diǎn)上那樣，這一點(diǎn)足以使謹(jǐn)慎過人的牛頓放棄這種本來十分卓越的思想。

1685年，牛頓運(yùn)用他自己發(fā)明的微積分證明了，地球吸引外部物體時(shí)，如同全部的質(zhì)量集中在球心一樣。在哈雷的鼓勵下，牛頓系統(tǒng)總結(jié)他關(guān)于動力學(xué)和引力問題的研究，于1686年撰成《原理》。當(dāng)前68頁，總共90頁?；始覍W(xué)會當(dāng)時(shí)資金不足，不能資助出版此書，哈雷便決定自己出資出版這部著作。1687年7月,牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》以拉丁文初版問世，立刻轟動全歐學(xué)術(shù)界。

《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》牛頓當(dāng)前69頁，總共90頁。（三）牛頓力學(xué)的重大歷史意義與局限性1.牛頓力學(xué)的重大歷史意義

第一、實(shí)現(xiàn)了第一次物理學(xué)大綜合。牛頓把地球上的物體運(yùn)動與天上的天體運(yùn)動都統(tǒng)一到萬有引力定律基礎(chǔ)之上，從而達(dá)到物理學(xué)上第一次理論大綜合；牛頓三大定律和萬有引力定律揭示了自然界最基本的宏觀物體低速機(jī)械運(yùn)動的客觀規(guī)律性，實(shí)現(xiàn)了人類對自然界的認(rèn)識的“第一次大飛躍”。當(dāng)前70頁，總共90頁。

第二、導(dǎo)致了力學(xué)科學(xué)的革命。牛頓在建立力學(xué)體系的過程中的確繼承了前輩和同時(shí)代科學(xué)家的諸多科學(xué)成果，但并不是像通常有些學(xué)者所認(rèn)為的只是對前輩和同時(shí)代科學(xué)家的思想或原理的匯集或綜合，而應(yīng)該既是科學(xué)大綜合，更是科學(xué)革命。

A.牛頓力學(xué)的重大歷史意義當(dāng)前71頁，總共90頁。美國科學(xué)史家科恩指出：

“牛頓革命不同于我們業(yè)已考察過的那些(確實(shí)發(fā)生了或據(jù)說發(fā)生了的)科學(xué)革命和數(shù)學(xué)革命，在其一生當(dāng)中，牛頓一直被認(rèn)為引起了一場革命。在其《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，牛頓導(dǎo)致了微積分革命和力學(xué)科學(xué)的革命”，當(dāng)然，在牛頓的前輩中，也曾有過一些偉大的人物探索過用數(shù)學(xué)原理來陳述自然哲學(xué)，如西蒙·斯蒂文，伽利略，開普勒，沃利斯，胡克，惠更斯等。從這個(gè)意義上講，牛頓革命是（可以追溯到科學(xué)革命之初的）諸多學(xué)者所創(chuàng)造出的成果的頂峰，而不是牛頓的某種全新的創(chuàng)造。把牛頓的《原理》與開普勒的《新天文學(xué)》、伽利略的《兩種新科學(xué)》、沃利斯的《力學(xué)》、胡克有關(guān)運(yùn)動問題的論述、或惠更斯(有關(guān)擺鐘的論文里)關(guān)于勻加速運(yùn)動的論述等作最簡單的比較就可以看出，在深度、范圍和技巧幾個(gè)等級方面，存在著某種不同。正是由于總體規(guī)模的猛增，牛頓的《原理》成了‘物理學(xué)革命’的‘新紀(jì)元’”?！皶r(shí)常有人斷言，牛頓把諸如開普勒、伽利略或胡克等科學(xué)家們完全不同的思想或原理匯集在一起，并對它們進(jìn)行了綜合。然而，很難說牛頓富有革命性的科學(xué)就是這些思想的合成或組合，因?yàn)閷?shí)際上，牛頓在其《原理》中把它們的荒謬不實(shí)之處披露了出來?！妗茖W(xué)不可能只是荒謬不實(shí)的思想或原理的產(chǎn)物?！保贫鳎骸犊茖W(xué)中的革命》第202～203頁，商務(wù)印書館，1999年版）

當(dāng)前72頁，總共90頁。第三、推動了力學(xué)和其他學(xué)科的全面發(fā)展。它使天文學(xué)、力學(xué)的分支得以產(chǎn)生，對地質(zhì)、機(jī)械等學(xué)科都有深遠(yuǎn)的影響。到了十八世紀(jì)和十九世紀(jì)上半葉，形成了“分析力學(xué)”、“固體力學(xué)”、“彈性力學(xué)”、“流體力學(xué)”等多種力學(xué)分支。當(dāng)前73頁，總共90頁。第四、開創(chuàng)了理性新時(shí)代。

它是文藝復(fù)興以來科學(xué)革命的偉大成果，標(biāo)志著古代人從對自然界的感性直觀的認(rèn)識進(jìn)入到近代人的抽象理性認(rèn)識的階段，十八世紀(jì)法國哲學(xué)家伏爾泰把牛頓的《原理》巨著帶到法國，法國百科全書派把牛頓力學(xué)作為唯物主義的自然科學(xué)基礎(chǔ)。

伏爾泰孟德斯鳩

盧梭狄德羅

當(dāng)前74頁，總共90頁。牛頓力學(xué)體系有巨大的方法論意義，其數(shù)學(xué)方法，邏輯推導(dǎo)給后人留下深刻印象，為后三百年的科研奠定了基礎(chǔ)。科恩指出:“牛頓革命也成了意識形態(tài)的一個(gè)重大的組成部分，唯一可與之相提并論的則是另一場科學(xué)革命，即達(dá)爾文革命。艾塞亞·伯林(1980,144)對牛頓的影響作了總結(jié):牛頓思想的沖擊是巨大的;無論對它們的理解正確與否，啟蒙運(yùn)動的整個(gè)綱領(lǐng)，尤其是在法國，是有意識地以牛頓的原理和方法為基礎(chǔ)的，同時(shí)，它從他那驚人的成果中獲得了信心并由此產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。科恩指出：而這，在一定時(shí)期中，使現(xiàn)代西方文化的一些中心概念和發(fā)展方向發(fā)生了確實(shí)是極富創(chuàng)造性的轉(zhuǎn)變，道德的、政治的、技術(shù)的、歷史的、社會的等等思想領(lǐng)域和生活領(lǐng)域，沒有哪個(gè)能避免這場文化變革的影響?！保贫鳎骸犊茖W(xué)中的革命》第219頁，商務(wù)印書館，1999年版）當(dāng)前75頁，總共90頁。2.牛頓力學(xué)的局限性

第一、絕對時(shí)空觀。

“絕對的空間，就其本性而言，是與外界任何事物無關(guān)而永遠(yuǎn)是相同的和不動的”；“絕對的真正的和數(shù)學(xué)上的時(shí)間自身在流逝著、而且由于其本性而在均勻地與任何其他外界事物無關(guān)地流逝著”。牛頓把時(shí)間看作是與物質(zhì)運(yùn)動無關(guān)的綿延，空間則是與物質(zhì)狀態(tài)無關(guān)的空架子，這是沒有科學(xué)根據(jù)的。當(dāng)前76頁，總共90頁。第二、超距作用力。對于物體之間的相互吸引，牛頓是用某種“超距作用”來解釋的，也就是把物體間的引力傳遞看作是既不需要介質(zhì)又不需要時(shí)間的過程，無論多么遙遠(yuǎn)的物體或物體之間的空間多么真空，引力一下子就會由此物體達(dá)到彼物體。

當(dāng)前77頁，總共90頁。第三、上帝是宇宙運(yùn)動的“第一推動者”。

牛頓認(rèn)為：“各行星周日轉(zhuǎn)動不可能由重力而得來，而需要有神力在它們軌道的切線方向上給以推動?！托枰猩窳υ谒鼈冘壍赖那芯€方向上給以推動?！碑?dāng)前78頁，總共90頁。

第四、機(jī)械的自然觀。牛頓力學(xué)的運(yùn)動三定律將自然界的一切力學(xué)事件連結(jié)起來而形成一個(gè)統(tǒng)一的因果鎖鏈，整個(gè)自然界被認(rèn)為像一架機(jī)器一樣有秩序地按照力學(xué)規(guī)律運(yùn)動著。這種信念導(dǎo)致了指導(dǎo)物理學(xué)發(fā)展甚至影響整個(gè)自然科學(xué)達(dá)數(shù)百年之久的機(jī)械的自然觀。

當(dāng)前79頁，總共90頁。第一、牛頓力學(xué)產(chǎn)生的根源在于資本主義經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)大動力。進(jìn)入十七世紀(jì)，意大利逐漸沒落，英國在歐洲興起。英國通過幾百年的資本原始積累，爭得海上霸主，取得了資產(chǎn)階級革命的勝利。歐洲的政治、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)的中心由意大利轉(zhuǎn)移到英國。尤其是資產(chǎn)階級奪取政權(quán)后，比以往更加重視發(fā)展數(shù)學(xué)和自然科學(xué)。資本主義工場手工業(yè)的工作機(jī)的改革，機(jī)器的間或應(yīng)用，為近代力學(xué)的建立，提供了實(shí)際的支點(diǎn)和刺激力。

（四）牛頓經(jīng)典力學(xué)

體系產(chǎn)生的歷史必然性當(dāng)前80頁，總共90頁。

第二、牛頓力學(xué)是科學(xué)發(fā)展的必然結(jié)果。

牛頓力學(xué)體系是牛頓經(jīng)過二十多年的實(shí)驗(yàn)和研究才取得的，也是他的先輩們所領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)革命的繼續(xù)和完成。當(dāng)前81頁，總共90頁。

正如牛頓自己所說“如果我比別人看得遠(yuǎn)些，那是因?yàn)槲艺驹诰奕藗兊募缟??！边@些巨人就是哥白尼、伽利略、開普勒、惠更斯、費(fèi)爾馬、波義耳，以及他尊敬的老師巴羅。尤其是伽利略和開普勒的成就直接為牛頓經(jīng)典力學(xué)體系的建立奠定了自然科學(xué)基礎(chǔ)。哥白尼伽利略開普勒費(fèi)爾馬惠更斯當(dāng)前82頁，總共90頁。

第三、英國良好的文化氛圍十分有利于科學(xué)的發(fā)展。英國資產(chǎn)階級革命的成功，為營造科學(xué)發(fā)展的文化氛圍提供了強(qiáng)大的政治保障。英國的國王和大臣都支持發(fā)展自然科學(xué)。培根“知識就是力量”的名言已深入人心，熱心科學(xué)的人迅速增加。在英國倫敦大商人格列沙姆創(chuàng)辦了以講授新的科學(xué)技術(shù)知識為主，有別于舊式大學(xué)的格列沙姆學(xué)院。民間組織“哲學(xué)學(xué)會