現(xiàn)代科技導(dǎo)論第二章

1、第二章 19 世紀(jì)科學(xué)成就與 辯證自然觀的形成 1618 世紀(jì)自然科學(xué)的主要成果是牛頓力學(xué)體系的建立，并在牛頓力學(xué)思想、方法上去認(rèn)識其它的學(xué)科和領(lǐng)域，使得數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展。1、數(shù)學(xué)領(lǐng)域有三項重大發(fā)明1）、笛卡爾和費爾馬創(chuàng)立了解析幾何2）、耐普爾發(fā)明了對數(shù)3）、牛頓和萊布尼茲創(chuàng)立了微積分 在創(chuàng)立微積分前，在 17 世紀(jì)數(shù)學(xué)面臨四個急需解決的問題：1）質(zhì)點運動學(xué)兩類基本問題求導(dǎo)求導(dǎo)積分積分(1)由質(zhì)點的運動方程可以求得質(zhì)點在任一時刻的速度和加速度；(2)已知質(zhì)點的加速度以及初始速度和初始位置，可求質(zhì)點速度及其運動方程。2、物理學(xué)2）怎樣求曲線的斜率3）怎樣求函數(shù)的最大值和最小

2、值4）如何求曲線所圍成的面積、曲面所圍成的體積 除力學(xué)外熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)也得到相應(yīng)的發(fā)展。熱質(zhì)說庫侖定理高斯定理電流磁體間相互作用光的折射、干涉、衍射等3、化學(xué) 化學(xué)在 17 世紀(jì)后半葉到 18 世紀(jì)末取得重要成果是：1）、提出了化學(xué)元素的科學(xué)概念，批判了練金術(shù)；2）、建立了科學(xué)的氧化燃燒理論，批判了燃素說。4、生物學(xué) 如維薩里和哈維創(chuàng)立的血液循環(huán)學(xué)；細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)；對生命的早期研究和探索等。一、天體演化與地球演化英國天文學(xué)家赫歇耳（1738-1822年）1、銀河系、天王星和海王星等的發(fā)現(xiàn)德國哲學(xué)家康德（1724-1804年） 赫歇耳1781年發(fā)現(xiàn)天王星；1783年發(fā)現(xiàn)銀河系。太陽在銀河系中

3、離銀河系中心不遠(yuǎn)處的位置上。太陽、恒星都在運動。 1846年德國天文臺臺長加勒（1812-1901年）發(fā)現(xiàn)海王星。2、太陽系的起源和演化 德國哲學(xué)家康德1755年首次提出了太陽系起源于原始星云的假說。 宇宙在有限天體的生滅中形成永恒而無限運動的辯證思想對辯證自然觀的建立起到重要作用。 1796年法國的數(shù)學(xué)家拉普拉斯在宇宙體系論中提出一種星云假說。 拉普拉斯的星云假說在細(xì)節(jié)上更多地考慮了太陽系的動力學(xué)特征，更加合理自然地說明了太陽系中天體運動為什么都按同一個方向旋轉(zhuǎn)，為什么行星軌道都大致在同一個平面上等。 “康德-拉普拉斯星云假說”比較好的解釋了天體運動的一些規(guī)律。 “康德-拉普拉斯星云假說”重

4、要意義在于提出了宇宙中天體不是一成不變的，而是由演化而來。這一重要思想對辯證的自然觀的建立起到重要作用。 近代地質(zhì)學(xué)是在19世紀(jì)開始形成的一門獨立的科學(xué)。3、地球演化 是研究固體地球的外層巖石圈的物質(zhì)成份及其形成分布和變化的規(guī)律，巖石圈的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和地表形態(tài)的變化特征及發(fā)展規(guī)律，巖石圈的形成歷史、發(fā)展規(guī)律以及其中古生物的演化特征，礦產(chǎn)資源的調(diào)查及勘探理論與方法等綜合性科學(xué)體系。 1830-1833年英國地質(zhì)學(xué)家賴爾（1797-1875年）在地質(zhì)學(xué)原理參照現(xiàn)在起作用的各種原因來解釋地球表面過去發(fā)生變化的嘗試著作中闡明地球的演化過程。 地球演化（緩慢變化）取代了上帝創(chuàng)造世紀(jì)的謬論，把變化、發(fā)展的思

5、想即唯物主義辯證思想引入地質(zhì)學(xué)，為建立辯證的自然觀起到重要作用。1、細(xì)胞學(xué)說二、生命世界中多種聯(lián)系的發(fā)現(xiàn) 19世紀(jì)初提出細(xì)胞學(xué)說并迅速發(fā)展。其主要內(nèi)容是： 動植物發(fā)育的過程是細(xì)胞形成的過程。有機(jī)體都是細(xì)胞組成的。病變細(xì)胞也是由正常細(xì)胞變化而來。 細(xì)胞學(xué)的重要意義在于證明了整個生命世界里的內(nèi)在聯(lián)系和有機(jī)的統(tǒng)一。2、生物進(jìn)化論 英國生物學(xué)家達(dá)爾文（1809-1882年）提出了以自然選擇為基礎(chǔ)的生物進(jìn)化論的學(xué)說。指出人是由類人猿進(jìn)化而來。熱學(xué)是研究物質(zhì)和熱運動規(guī)律的一門學(xué)科。三、物理世界中多種聯(lián)系的發(fā)現(xiàn)1、熱學(xué) 研究熱現(xiàn)象的規(guī)律有宏觀的熱力學(xué)和微觀的統(tǒng)計力學(xué)兩種方法。1）統(tǒng)計物理學(xué)研究方法 （微觀理

6、論） 從物質(zhì)的的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)。動用統(tǒng)計的方法研究大量數(shù)目的熱運動的粒子系統(tǒng)，解釋與揭示物質(zhì)宏觀熱現(xiàn)象及熱運動規(guī)律的本質(zhì)，并確立宏觀量與微觀量之間的關(guān)系。2）. 熱力學(xué)研究方法 （宏觀理論） 從能量觀點出發(fā)，以大量實驗觀測為基礎(chǔ)，研究物質(zhì)熱現(xiàn)象的宏觀基本規(guī)律及其應(yīng)用。2、能量守恒與轉(zhuǎn)化定律 1798年美國物理學(xué)家倫福特（1753-1814）做實驗得到熱來源于鉆頭的運動的結(jié)論。 1799年英國化學(xué)家戴維做兩塊冰的摩擦實驗得到冰吸收熱是由機(jī)械運動轉(zhuǎn)化來的結(jié)論。 1800年英國科學(xué)家尼科爾遜和醫(yī)生卡萊爾通過電解水的實驗證明電可以引起化學(xué)反應(yīng)，表明電能可以轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。 1820年丹麥物理學(xué)家奧斯特實驗

7、證明電能可以轉(zhuǎn)化為磁能。 1831年英國物理學(xué)家法拉第實驗證明磁能可以轉(zhuǎn)化為電能。 1821年德國人塞貝克溫差電偶實驗證明熱能可以轉(zhuǎn)化為電能。 1840年德國醫(yī)生邁爾（1814-1878）血液顏色不同現(xiàn)象，認(rèn)為化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為熱能，并第一個發(fā)表了能量守恒與轉(zhuǎn)化定律。作機(jī)械功改變系統(tǒng) 狀態(tài)的焦耳實驗AV作電功改變系統(tǒng) 狀態(tài)的實驗 從1840年起到1878年，英國物理學(xué)家焦耳通過實驗確定了電熱轉(zhuǎn)化的焦耳定律。熱功當(dāng)量值為： 焦耳每卡 亥姆霍茲 （18211894），德國物理學(xué)家和生物學(xué)家.于1874年發(fā)表了論力（現(xiàn)稱能量）守恒的演講，首先系統(tǒng)地以數(shù)學(xué)方式闡述了自然界各種運動形式之間都遵守能量守恒這

8、條規(guī)律.所以說亥姆霍茲是能量守恒定律的創(chuàng)立者之一.能量守恒與轉(zhuǎn)化定律： 能量守恒與轉(zhuǎn)化定律是生產(chǎn)斗爭和科學(xué)實驗的經(jīng)驗總結(jié)；是自然界的普遍規(guī)律。 自然界一切物質(zhì)都具有能量，能量有各種不同的形式，可以從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，從一個物體傳遞給另一個物體，在轉(zhuǎn)換和傳遞中，各種形式的能量總和不變。 系統(tǒng)從外界吸收的熱量 , 一部分使系統(tǒng)的 內(nèi)能增加 ,一部分使系統(tǒng)對外界做功 .熱力學(xué)第一定律： “熱一”實質(zhì)上是包括了熱現(xiàn)象在內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換和守恒定律 . “熱一”是自然界的普遍規(guī)律 . “熱一”另一種表述:第一類永動機(jī)是不能實現(xiàn)的.3、熱力學(xué)第二定律的發(fā)現(xiàn) 熱力學(xué)第二定律的兩種表述1）1851年英國物理

9、學(xué)家開爾文（1824-1907）指出：不可能制造出這樣一種循環(huán)動作的熱機(jī)，它只使單一熱源冷卻來做功，而不放出熱量給其它物體，或者說不使外界發(fā)生任何變化。 開爾文說法另一種表述：第二類永動機(jī)是不可能制成的。 永動機(jī)的設(shè)想圖2）1850年德國物理學(xué)家克勞修斯（1822-1888）指出：不可能把熱量從低溫物體自動傳到高溫物體而不引起外界的變化。 熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律是大量實驗和經(jīng)驗的總結(jié),是熱力學(xué)中兩個基本規(guī)律?！盁嵋弧敝赋鲞^程要滿足能量守恒,“熱二”指出過程的方向. 兩種說法的共同點：熱機(jī)在工作過程中不可能把從高溫物體吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為有用的功。它總要把一部分熱量傳給低溫?zé)嵩础?熱功轉(zhuǎn)

10、換完全功不完全熱無序有序自發(fā)非均勻、非平衡均勻、平衡自發(fā)非自發(fā)傳熱自發(fā)傳熱高溫物體低溫物體 熱傳導(dǎo) 熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)是反映自然界一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際宏觀過程都是不可逆的. 系統(tǒng)的能量相同時，溫度高的系統(tǒng)熵小，溫度低的系統(tǒng)熵大。1865年克勞修斯引入態(tài)函數(shù)：熵熵表示某一熱力學(xué)狀態(tài)可能出現(xiàn)的程度。 若物體的溫度為，物體的熱量為，=/表示熵。 熱量總是從高溫物體自動傳遞給低溫物體。所以對一個獨立的系統(tǒng)，熱力學(xué)的過程總是要沿著熵增加的方向進(jìn)行。熵的概念說明了熱力學(xué)過程的不可逆性。熵增加原理: 孤立系統(tǒng)中的可逆過程，其熵不變； 孤立系統(tǒng)中的不可逆過程，其熵要增加 .熵增加原理成立的條件: 孤立系統(tǒng)

11、或絕熱過程. 熱力學(xué)第二定律亦可表述為 ： 一切自發(fā)過程總是向著熵增加的方向進(jìn)行 .熵增加原理的應(yīng)用 ：孤立系統(tǒng)中的不可逆過程總是朝著熵增加的方向進(jìn)行,直到熵為最大值為止. 給出自發(fā)過程進(jìn)行方向的判椐 .熵與能量的區(qū)別： 能量是表明運動轉(zhuǎn)化能力的大小。熵是表明運動不能轉(zhuǎn)化的量度，即能量中可利用的能量有多少。 系統(tǒng)的熵越大，系統(tǒng)越接近平衡態(tài)，系統(tǒng)中可利用的能量就少。 熱力學(xué)第二定律亦稱為 “熵增加原理”。 “宇宙熱寂說” 恩格斯根據(jù)能量守恒與轉(zhuǎn)化定律對“宇宙熱寂說”進(jìn)行了批判。4、氣體分子運動論的建立 從1857年到1868年，克勞修斯、麥克斯韋和玻爾茲曼等把統(tǒng)計方法和幾率的概念引進(jìn)到熱學(xué)，創(chuàng)立

12、了氣體分子運動論。氣體分子模型 分子運動論表明，分子的熱運動是大量分子的無規(guī)則運動的表現(xiàn)，服從統(tǒng)計規(guī)律。 統(tǒng)計規(guī)律是與自然界中的因果律完全不同的規(guī)律。 1868年奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼提出了氣體分子的能量均分定理。 1859英國物理學(xué)家麥克斯韋用概率統(tǒng)計方法得到氣體分子速率分布律。 玻爾茲曼對熵作了統(tǒng)計幾率的解釋。提出一孤立系統(tǒng)的熵S增加時，系統(tǒng)的熱力學(xué)概率W也相應(yīng)地增加。它們之間的關(guān)系為 熵的統(tǒng)計意義：熵是孤立系統(tǒng)的無序度的量度，可用熱力學(xué)概率W來定量描述： 生命科學(xué)： 熵的高低反映生命力的強弱.孤立系統(tǒng)內(nèi)所發(fā)生的過程，總是由熱力學(xué)概率小的狀態(tài)向概率大的狀態(tài)過渡,或由無序度小的狀態(tài)(非平衡態(tài)

13、)向無序度大(平衡態(tài))的狀態(tài)過渡。熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計意義信息論： 負(fù)熵是信息量多寡的量度.環(huán)境學(xué)： 負(fù)熵流與環(huán)境.無序度是指系統(tǒng)混亂程度的高低。玻爾茲曼墓碑 為了紀(jì)念玻爾茲曼給予熵以統(tǒng)計解釋的卓越貢獻(xiàn) ，他的墓碑上寓意雋永地刻著 . 這表示人們對玻爾茲曼的深深懷念和尊敬. 用統(tǒng)計方法和幾率的概念去解釋熱現(xiàn)象就產(chǎn)生了統(tǒng)計力學(xué)。 麥克斯韋和玻爾茲曼把幾率的概念和統(tǒng)計規(guī)律引入到熱力學(xué)的研究中加深了對熱現(xiàn)象的微觀本質(zhì)的認(rèn)識。5、經(jīng)典電磁學(xué)的創(chuàng)立19世紀(jì)前電學(xué)、磁學(xué)的簡介 電磁學(xué)是物理學(xué)的一個分支，是研究電磁運動規(guī)律和應(yīng)用的一門學(xué)科。 電磁學(xué)的研究對象包括靜電現(xiàn)象、磁現(xiàn)象、電流、電磁感應(yīng)、電磁輻射、電

14、磁場等，是現(xiàn)代科技發(fā)展的重要理論基礎(chǔ)。 我國東漢時期已有“司南勺”，10世紀(jì)制造指南針，11世紀(jì)指南針用于航海。古代有摩擦生電，磁石吸引鐵。12世紀(jì)末指南針傳入歐洲。 1650年德國物理學(xué)家格里凱發(fā)明一臺能產(chǎn)生大量電荷的摩擦起電機(jī)。 1745年荷蘭萊頓大學(xué)的馬森布羅克發(fā)明可以收集電荷的萊頓瓶。 美國物理學(xué)家富蘭克林把電分為“正電”和“負(fù)電”。風(fēng)箏實驗表明天上的電與地上的電相同。發(fā)明了避雷針。 1785年法國物理學(xué)家?guī)靵鲇蓪嶒灥玫綆靵龆伞５聡锢韺W(xué)高斯在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出高斯定理。 1800年意大利物理學(xué)家伏打發(fā)明了電池。由此靜電研究深入到動電的研究。 1826年德國物理學(xué)家歐姆發(fā)現(xiàn)歐姆定律，推動

15、了電學(xué)的發(fā)展。 1840年英國物理學(xué)家焦耳發(fā)現(xiàn)了電流的熱效應(yīng)定律，即焦耳-楞次定律。 上述研究盡管取得巨大成就，但是對電和磁的研究依然是獨立的，電與磁之間沒有聯(lián)系。1）、奧斯托發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)I 1820年丹麥物理學(xué)家奧斯托（1787-1851）發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)。磁場對電流有作用力。SNI 1820年法國物理學(xué)家畢奧（1774-1862）和薩伐爾（1791-1841）發(fā)現(xiàn)了畢奧薩伐爾定律。計算電流產(chǎn)生的磁場。 法國物理學(xué)家安培（1775-1836）在1822-1826年間對電流磁效應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)載流導(dǎo)線間的有相互作用。 安培定律反映了磁場對電流元的作用力的大小和方向。 1831年英國物理學(xué)家法

16、拉第經(jīng)過10年的努力，發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律。2）、法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng) 法拉第（Michael Faraday, 1791-1867），偉大的英國物理學(xué)家和化學(xué)家.他創(chuàng)造性地提出場的思想，磁場這一名稱是法拉第最早引入的.他是電磁理論的創(chuàng)始人之一，于1831年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，后又相繼發(fā)現(xiàn)電解定律，物質(zhì)的抗磁性和順磁性，以及光的偏振面在磁場中的旋轉(zhuǎn). 閉合的導(dǎo)線回路中所出現(xiàn)的感應(yīng)電流，總是使它自己所激發(fā)的磁場反抗任何引發(fā)電磁感應(yīng)的原因（反抗相對運動、磁場變化或線圈變形等）.NS電磁感應(yīng)定律：電磁感應(yīng)定律是交流發(fā)電機(jī)的理論基礎(chǔ)。 1833年德國物理學(xué)家楞次（1804-1865）發(fā)現(xiàn)楞次定律。NSNS用楞

17、次定律判斷感應(yīng)電流方向 法拉第于1837年提出“場”的概念，認(rèn)為運動電荷與磁體之間是通過磁場產(chǎn)生的相互作用。磁場是物質(zhì)。并把電場和磁場用電場線和磁場線表示。ISNI 認(rèn)為電場與磁場能夠相互影響，這些思想對電磁理論的發(fā)展、統(tǒng)一的電磁理論起到重要的指導(dǎo)作用。 麥克斯韋（1831-1897）英國物理學(xué)家，經(jīng)典電磁理論的奠基人，氣體動理論創(chuàng)始人之一。他提出了有旋場和位移電流的概念，建立了經(jīng)典電磁理論 ,并預(yù)言了以光速傳播的電磁波的存在 .在氣體動理論方面 ,他還提出了氣體分子按速率分布的統(tǒng)計規(guī)律。3）、麥克斯韋創(chuàng)立經(jīng)典電磁學(xué)理論1）有旋電場麥克斯韋假設(shè)2）位移電流方程的微分形式麥克斯韋電磁場方程的積分

18、形式麥克斯韋電磁場 麥克斯韋的電磁場理論的建立是19世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展史上又一個重要里程碑。 麥克斯韋的電磁場理論預(yù)言了電磁波的存在，并計算出電磁波的速度（即光速）。 (真空中 ) 愛因斯坦稱麥克斯韋的電磁場理論“是自牛頓以來物理學(xué)所經(jīng)歷的最深刻和最有成果的一次真正觀念上的變革?！?麥克斯韋是經(jīng)典電磁理論上的牛頓。 1888 年德國物理學(xué)家赫茲用實驗證實了他的預(yù)言。證實了光是電磁波。麥克斯韋理論奠定了經(jīng)典動力學(xué)的基礎(chǔ)，為無線電技術(shù)和現(xiàn)代電子通訊技術(shù)發(fā)展開辟了廣闊前景。 麥克斯韋電磁理論不僅把電學(xué)和磁學(xué)統(tǒng)一起來，而且統(tǒng)一了電磁學(xué)和光學(xué)。完成了經(jīng)典物理學(xué)第三次大綜合。 麥克斯韋電磁理論是電力、無線電、

19、電子工業(yè)的理論基礎(chǔ)，是產(chǎn)生第二次工業(yè)革命的理論基礎(chǔ)。 1895年俄國波波夫（1859-1906）和意大利的馬可尼分別實現(xiàn)了無線電信號的傳遞。人類從此而進(jìn)入無線電通訊的新紀(jì)元。馬可尼1909年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。 雖然麥克斯韋電磁理論使得無線電技術(shù)和現(xiàn)代電子通訊技術(shù)迅速發(fā)展起來。但是在理論上遇到一些問題。 如電磁波與機(jī)械波不同，可在真空中傳播。實驗證實光速在真空中保持不變，違反了經(jīng)典物理學(xué)中的相對性原理。由此導(dǎo)致了物理學(xué)的革命。6、化學(xué) 英國物理學(xué)家和化學(xué)家道爾頓（1766-1844）在19世紀(jì)初總結(jié)出一系列的化學(xué)定律，如化合物的倍比定律；定比定律、當(dāng)量定律、質(zhì)量守恒定律等。提出了科學(xué)的原子、分

20、子學(xué)說。 19世紀(jì)20年代，德國化學(xué)家維勒人工合成有機(jī)物，表明了有機(jī)物和無機(jī)物之間有相互聯(lián)系。開創(chuàng)了人工合成有機(jī)物的新紀(jì)元。 1869年俄國科學(xué)家門捷列夫（1834-1907）發(fā)現(xiàn)了元素的性質(zhì)與原子量之間存在周期性的變化規(guī)律，發(fā)表了化學(xué)元素周期表。預(yù)見了尚未發(fā)現(xiàn)的一些元素，如鍺、鎵等元素。后來都被實驗所證實。 元素周期表揭示了自然界事物發(fā)展由量變到質(zhì)變的過程，為辯證唯物主義自然觀的創(chuàng)立提供了有力的證據(jù)。元素周期表的建立是化學(xué)發(fā)展史上一個重要里程碑。 物理和化學(xué)的重大成就都證明了物理世界的內(nèi)在聯(lián)系和統(tǒng)一性。四、辯證自然觀的形成1、機(jī)械唯物主義自然觀、方法論的危機(jī) 能量守恒與轉(zhuǎn)化定律、細(xì)胞學(xué)說和生物進(jìn)化論的三大發(fā)現(xiàn)，深刻揭示了自然界的一切現(xiàn)象的辯證關(guān)系。 19世紀(jì)自然科學(xué)取得了一系列重大成就揭示了自然界各領(lǐng)域內(nèi)各現(xiàn)象之間的辯證關(guān)系，而且也反映了各領(lǐng)域之間的聯(lián)系。尤其是通過自然科學(xué)中各門學(xué)科的發(fā)展，更加揭示了各學(xué)科之間的緊密關(guān)系。 由此導(dǎo)致了17-18世紀(jì)在科學(xué)界占統(tǒng)治地位的機(jī)械唯物主義自然觀和方法論也就陷入了嚴(yán)重危機(jī)。2、科學(xué)方法論由經(jīng)驗方法向理論方法的過渡 19世紀(jì)前對自然科學(xué)的研究，基本上是運用觀察、實驗、經(jīng)過數(shù)據(jù)的記