第二章西方古代物理學課件

第一節(jié)古希臘物質本原思想第二節(jié)古希臘時期對宇宙的認識第三節(jié)古希臘的物理學知識第四節(jié)中世紀的物理學知識第五節(jié).亞里士多德的物理學第一節(jié)古希臘物質本原思想1古希臘的三個時期（公元前8世紀---4世紀）①城邦時期（前8世紀—前4世紀）：在地中海東岸有10余個不同城邦，這時的雅典為眾城邦的盟主，也是科學文化發(fā)展的中心。出現(xiàn)了大批著名的哲學家和科學家：泰勒斯、畢達哥拉斯、德謨克利特、蘇格拉底、柏拉圖和亞里士多德等。③羅馬時期（前2世紀—4世紀）：希臘被羅馬人征服,開始了羅馬時期。初期由于政治動蕩，科學文化停止不前，當社會穩(wěn)定后，從公元2世紀到4世紀，亞歷山大里亞的科學再度中興。這時科學家已經轉為重視使用的氛圍中，研究活動多與實際生活的需求相關?；蛘弑憩F(xiàn)為對以往科學的注釋上。②亞歷山大時期（前4世紀—前2世紀）：以亞歷山大為首的馬其頓人征服了全希臘，建立了地跨歐亞非大陸的亞歷山大帝國，在埃及建立了“亞歷山大城”，在城內還建立了博物館和圖書館，聚集了大批優(yōu)秀的科學家?？茖W文化的中心也自然的轉為埃及的亞歷山大城；古希臘的三個時期（公元前8世紀---4世紀）③羅馬時期（前22

③經院哲學時代（11—12世紀）：這一時期的哲學內容是論證和辯護宗教信仰的合理性，主張理性服從信仰，將哲學變成了神學的婢女。代表人物托馬斯?阿奎那（1226—1274）將亞里士多德的學說神話，使其成為不可侵犯的權威。反叛代表培根。

②阿拉伯文化時代（8—11世紀）：地處東西方貿易交流紐帶的阿拉伯，成為溝通東西方文化的橋梁，同時完好的保存了許多古希臘的學術典籍，對后來歐洲文藝復興乃至近代科學產生重大影響。中世紀可以細分為三個時期：①黑暗時代（5—8世紀）：戰(zhàn)爭頻繁，社會動亂，古希臘學術終結?；浇坛蔀榱_馬國教，違背宗教的見解受到懲罰。③經院哲學時代（11—12世紀）：這一時期的哲學內容是論證3第一節(jié)古希臘物質本原思想

一元素論

二數(shù)的和諧思想三原子論第一節(jié)古希臘物質本原思想4一元素論

①城邦時期：米利都學派創(chuàng)始人泰勒斯認為萬物本原是水，大陸漂浮在水面上；萬物源于水，復歸于水，任何東西都會產生和消滅，惟獨水是常存的。其學生阿那克西曼德，認為世界的本原不可能是水，他認為萬物的本原必須在宇宙的斗爭中保持中立，應是無任何規(guī)定性的“無限者”；阿那克西曼德的學生阿那克西米尼，則將萬物的本原看作是“氣”，認為大陸并無固體支撐，象一片樹葉漂浮在空氣中，就象天上的星球一樣。

赫拉克利特（一城邦邦主）認為是“火”，他指出：“世界對于一切存在的物都是一樣的，它的過去、現(xiàn)在、未來永遠是一團永恒的火，在一定的分寸上燃燒，在一定的分寸上熄滅?！笔澜鐩]有開端，沒有終結，處于永恒的運動變化中。同一事物中對立的兩個方面的斗爭產生了萬物。一元素論

①城邦時期：米利都學派創(chuàng)始人泰勒斯認為萬物本原是5恩培多克勒：西西里島的一位王子，因不愿接受王位而到處游學，專門研究科學與哲學。恩培多克勒認為，不能用單一物質做萬物的本原，并提出“四根說”，即土、水、氣、火四種元素，它們依次為固體、液體、氣體，火則代表顏色和溫度。②亞歷山大時期：進入公元前4世紀，希臘戰(zhàn)爭不斷，直到亞歷山大統(tǒng)一帝國。這時古希臘學派林立的科學與哲學學派也最終走向統(tǒng)一。這一任務有亞里士多德完成。亞里士多德在總結前人研究的基礎上，提出：地上萬物由輕重不同的土、水、氣、火四種元素組成，月層以上的天體由以太組成，而元素又由冷、熱、干、濕這四種更基本的基質構成。濕和冷組合成水，濕和熱組合成氣，干與冷組合成土，干與熱組合成火。恩培多克勒：西西里島的一位王子，因不愿接受王位而到處游學6二數(shù)的和諧思想

創(chuàng)始人：畢達哥拉斯（約前584-前497）。認為世界是一個超感性世界，是一個“數(shù)”的世界。數(shù)是萬物本原，有了一個一個的數(shù)，才有了幾何上的點，有了點才有線、面和立體，有了立體才有土、水、氣、火四種元素等。將數(shù)賦予一定的意義：1代表同一，是普遍的，由1產生2，產生出各種數(shù)；2代表意見，是1的對立物；3是實在和圓滿，所有一切都有3決定；4是正義；10是靈魂與理性；10=1+2+3+4，包含了數(shù)的全部本性。10是最完美的數(shù)字，認為天上應該有10個天體（當時已知道9個），10個天體之間應存在一定的“和諧”關系等等。認為圓形和球形是最完美的圖形，所以天體的形狀是球形的；二數(shù)的和諧思想7

由于注重數(shù)的比例關系，發(fā)現(xiàn)了數(shù)學上的畢達哥拉斯定理（勾股定理）與音樂上的五度相生律。認為世界上的一切現(xiàn)象和規(guī)律都服從“數(shù)的和諧”，這種“數(shù)的和諧”表現(xiàn)為數(shù)學上的簡單性、對稱性與和諧性。畢達哥拉斯學派對數(shù)的尊崇形成了對數(shù)的神秘主義，但他們對“數(shù)的和諧”的追求，卻形成了理性的數(shù)學傳統(tǒng)。對后來自然科學的孕育、形成和發(fā)展產生了巨大作用。“數(shù)的和諧”成為后來以至今天科學研究的一個重要指導原則。由“數(shù)的和諧”發(fā)展為“宇宙的和諧”的觀念成為歷代科學家的指導思想與科學方法。由于注重數(shù)的比例關系，發(fā)現(xiàn)了數(shù)學上的畢達哥拉斯定理（8三原子論

創(chuàng)始人：米利都學派的留基伯和其學生德謨克利特。接受了畢達哥拉斯的超感性世界的認識，但不接受“數(shù)”的本原觀點。他將微觀的幾何點同“存在”結合起來，認為“存在”是不可分的、不變的、球形的。并將“存在”取名為“原子”。其原子論大致要點有七條：略。原子論在希臘并未受到應有的重視，但雅典的伊壁鳩魯（Epicurus，前341-前270）還是發(fā)展了這一學說：原子本身不僅有形狀上的差別，還有大小和重量的不同，原子在虛空中以同樣的速度運動著，只要不遇到任何阻抗。但是，由于原子內部的原因，原子在運動中會發(fā)生偏斜，由于這種偏斜使原子產生渦旋運動。

羅馬科學家盧克萊修（Lucretius,約前95-前55）也繼承和傳播了原子論。到17世紀，法國科學家伽桑狄（PietteGassendi,1592-1655)重新發(fā)現(xiàn)和傳播了原子論。他們的研究與傳播對道爾頓建立科學的原子論作了必要的準備和中介。三原子論到17世紀，法國科學家伽桑狄（Piette9第二節(jié)古希臘時期對宇宙的認識1.米利都學派

泰勒斯認為地象一個圓盤或圓筒浮在水面上，其學生阿那克西曼德認為宇宙是一大圓球，地處于球中央，形狀也是圓盤或圓筒形，地靜止不動。2.畢達哥拉斯學派畢達哥拉斯學派用“數(shù)的和諧”來建立關于宇宙的理論。認為天體的形狀是球形，天上應該有10個天體，當中是中心火團，10個天體圍繞中心火團做同心圓周運動，恒星緊系在天的最高圓頂。10個天體到中心火團之間的距離同音階之間的音程具有同樣的比例關系，以保證“星球的和諧”，奏出“天體的音樂”。天體必須作均勻的圓周運動的假設，一直控制著天文學的發(fā)展，直到開普勒為止。第二節(jié)古希臘時期對宇宙的認識2.畢達哥拉斯學派103.柏拉圖學派

非常崇尚數(shù)，繼承和發(fā)展了畢達哥拉斯學派對科學美的追求。他認為，天體必須沿著完美的圓形軌道作均勻有序的運動，或者沿著復合的圓周運動。他提出：有沒有任何一種假說能把行星運動在外表上的無序轉化為有序、美和簡單呢？其學生歐多克索和亞里士多德提出了同心球層模型：歐多克索假設了26個同心球，亞里士多德發(fā)展到56個，太陽、月亮和地球為一個同心球，且太陽和月亮以地球為中心運動。3.柏拉圖學派114.地心說古希臘后期的阿波羅尼（約前247—前205）為了克服同心球層模型的困難，提出了“本輪—均輪”結構模型：行星沿著本輪做圓周運動，本輪的中心又沿著在以地球為中心的均輪上做圓周運動。之后的希帕克斯又發(fā)展了偏心輪和本輪—均輪體系。直到托勒密（約90—168）進一步發(fā)展了地心說宇宙結構：他用80個輪來解釋天體的運動，與實測數(shù)據符合的較好。后來被宗教利用來宣傳教義，流行了1400多年。5.太陽中心說阿里斯塔克（約前310—前230）提出了與眾不同的見解：太陽是宇宙的中心，地球和行星都圍繞太陽運轉，地球每年繞太陽轉一周，又每天自轉一周。因為恒星距離我們太遠，其視差太小，我們看不出來，所以看起來恒星在遠處不動?？上目捶ú粸楫敃r人們的理解，其思想也就被淹沒了。4.地心說5.太陽中心說12第三節(jié)古希臘的物理學知識

古希臘的物理知識主要集中在力學和光學兩個方面。力學主要有亞里士多德的動力學思想和阿基米德的靜力學。一力學知識1.亞里士多德的力學研究

①關于空間：他認為空間即意味著不動。并提出了空間位置的相對性，如“同一位置可以是右也可以是左，可以是上,也可以是下?！钡J為宇宙有限和天球以外是空虛的。②關于時間：他認為時間就是描述運動的數(shù)。他說“時間是使運動成為可以記數(shù)的東西”“我們不僅用時間計量運動，也用運動計量時間，因為他們是相互確定的”。他認為時間不同于運動，運動有快有慢，而時間的流失則是均勻的。第三節(jié)古希臘的物理學知識一力學知識13③關于運動：他認為運動就是變化，并將自然界的運動分為自然運動和強迫運動。

自然運動是指由于物體在“內在目的”的支配下尋找其“天然位置”的運動，與物質所含元素有關，如重物的垂直下落和輕物豎直上升。含土元素的重物的天然位置在地心，由火元素構成的輕物的天然位置在天空等。物體越重，下落就越快；物體越輕，上升就越快。

強迫運動指借助外力進行的運動，撤去外力，運動停止。物體的運動速度與施加的外力成正比，與在介質中受到的阻力成反比。

對拋體運動的解釋:自然界害怕虛空,填補空虛推動物體.

對自由落體速度越來越快的解釋：物體越接近其天然位置,其奔向傾向就越強；上方空氣柱的重量越來越重等。④意義：亞里士多德能夠擺脫神的意志，并能形成一套自圓其說的體系，在當時是有非常重要意義的。在科學史上，他是一個重要的開拓者，盡管其許多觀點是錯誤的，但其歷史作用不可否定。③關于運動：他認為運動就是變化，并將自然界的運動分為自然運142.阿基米德（前287—前212）

古希臘最著名的物理學家，數(shù)學和力學大師。后人稱其為“物理學之父”。著有《論平面的平衡》《論浮體》，其數(shù)學研究在歐幾里德之后達到那個時代的頂點。

1）杠桿原理：用了7條假設，論證表述了15個命題.

2）浮力定理（阿基米德定理）；

3）證明了正圓柱內切球體的體積與該圓柱體積之比

為2:3；他采用了兩種方法：

①實際制作了兩個材料相同的模型，稱其重量；

②從數(shù)學上推導論證。

4）提出了重心的概念和物體重心的求法；

5）計算了π的數(shù)值在3又10/71和3又1/7之間；

6）發(fā)明了滑輪組；

7）發(fā)明了阿基米德螺旋提水器等。2.阿基米德（前287—前212）

古希臘最著名的15啟明之光:二.古希臘時期的物理進展阿基米德像傳：1)銅鏡燒船:地中海，羅馬要滅亡敘拉古。阿基米德讓婦女用銅鏡組成一面聚光鏡燒戰(zhàn)船上的帆，浸了油的繩與桅桿和帆都燒起來了。1747年，法國科學家布韋為了驗證這一情況，用360面鏡子，拼成一個大凹鏡，燒灼了70米外的木堆。啟明之光:二.古希臘時期16啟明之光:二.古希臘時期的物理進展2）發(fā)明的滑輪組：應國王要求，利用機械裝置將一艘巨輪拖動。這一機械裝置即是他發(fā)明的滑輪組。4)鑒定王冠：傳阿基米德在洗澡時發(fā)現(xiàn)了鑒定王冠的純金成分的方法，并在國王和大臣面前進行了表演：他先把一塊與王冠重量相等的純金放進一個盛水的容器中，稱出溢出水的重量，接著再對王冠重復上述過程，發(fā)現(xiàn)溢出的水比前者多，從而說明王冠里摻進了比金輕（密度?。┑慕饘?。另一種說法是：用等重的金塊、銀塊和王冠，分別稱出它們在水中的重量，算出它們在水中減少的量，即可斷定王冠是否摻了假。3)豪言：傳阿基米德在敘拉古的王宮曾以這樣的豪言評價杠桿的作用:“給我一個支點，我可以撬動地球”。啟明之光:二.古希臘時期17意義：阿基米德的力學研究方法具有“一般”的意義。阿基米德不僅提出了著名的浮力定律和杠桿原理，他在得出這兩個原理的過程中所采用的公理化方法(將實驗和數(shù)學推理結合起來)也成為近代甚至現(xiàn)代物理學研究的重要方法之一。杠桿實驗圖意義：阿基米德的力學研究方法具有“一般”的意義。阿基米德不僅18歐幾里德（約前330—前275）建立的優(yōu)美的幾何演繹體系，是古代數(shù)學乃至整個數(shù)學史上的最偉大成果之一。他將幾何學引入到光學研究，將光學看作是幾何學的一個分支，著有《反射光學》，確認光的直進性，并建立了光的反射定律。確定了凹面鏡的聚焦點在球心或在球心與球面之間。但他卻認為視覺的產生是從人眼睛發(fā)射出的光線被物反射回來的結果。希?。ㄇ?50—前100）：用光程最短原理論證了光的反射定律。應用：①著名天文學家阿里斯塔克（約前310—230）：測量日地距離和月地距離之比；

②埃拉多塞（約前270—前196）測量地球周長等。二光學知識歐幾里德（約前330—前275）建立的優(yōu)美的幾何演繹體系，是191.阿里斯塔克測量日地距離和月地距離之比：當月亮恰為半月時，日月地構成直角三角形：日-地間的直線為斜邊，日-月和月-地間的直線均為直角邊，他測得月-地邊和日-地邊之間的夾角，進而得出日-地間的距離為月-地間的距離的20倍（實際為400倍）。在月蝕時，地球的影子投射到月球上，阿里斯塔克根據這個影子的大小，計算出月亮的大小（因為已知月-地距離），得出月亮直徑約為地球直徑的一半（實際為1/4），而太陽直徑約為地球直徑的10倍（實際為100倍）。在阿里斯塔克的計算中，測量問題未能解決的很好，所以其數(shù)據誤差很大，但其研究方法是正確的，驚人的。1.阿里斯塔克測量日地距離和月地距離之比：202.埃拉多塞(公元前270-公元前196)：用三尺長的竹竿測地球周長。埃及的尼羅河旁有兩個城市賽恩和亞歷山大，由于已修路，聯(lián)系比較便利。在塞恩有一口很深的井，夏至那天，陽光會照到井底，而陽光同時在亞歷山大對竹竿將有一個投影，我們可測出θ角，根據幾何關系可知，∠AOS=θ，OS=0A為地球半徑，則：啟明之光:二.古希臘時期的物理進展2.埃拉多塞(公元前270-公元前196)：用三尺長的竹竿測21折算出的地球周長與當今的計算值相差僅幾百公里。啟明之光:二.古希臘時期的物理進展1stadia=158.5米L≈39000千米現(xiàn)在測量數(shù)據約為40000千米陽光在埃及:SOA:亞歷山大S:賽恩A折算出的地球周長與當今的計算值相差僅幾百公里。啟明之22第四節(jié)中世紀的物理學知識一阿拉伯人的物理成就

1.阿勒—哈增（965—1038）著有《光學全書》：研究了眼睛的結構，如“網膜”、“角膜”、“玻璃狀體”、“前房液”等術語均出自于他。認為視覺是光線從物體發(fā)出進入人眼所致；認為光的入射線、反射線和法線都在一個平面內；研究了球面鏡、拋物鏡成像問題；正確解釋了太陽、月亮在地平線附近看起來較大的原因。第四節(jié)中世紀的物理學知識一阿拉伯人的物理成就232.阿勒?哈茲尼（12世紀人）著有《智慧秤的故事》：由一根帶有5個秤盤的桿秤，可以測量空氣中和水中物體的重量,從而編出比重表；發(fā)現(xiàn)了水的比重隨溫度的不同而不同；發(fā)現(xiàn)空氣有重量，因而阿基米德定律在空氣中也適用；指出大氣的密度與高度有關；提出物質的量與重量不同，兩者成正比關系；他還用路程與時間之比表示速度。二歐洲人的研究工作阿拉伯在8-9世紀開始大量翻譯希臘的經典著作。從10世紀中葉開始，歐洲一些學者，將阿拉伯文的書翻譯成拉丁文。到12世紀，翻譯活動形成了更高的浪潮。這種翻譯活動為后來的文藝復興和科學革命準備了學術上的重要條件。另一重要事件是大學的建立。12世紀，在歐洲建立了牛津大學、巴黎大學和波倫亞大學；后來人們仿照這三所大學又建立了一些大學，同時在大學內又相繼成立了一大批專門的學院，這些學院對中世紀晚期學術發(fā)展發(fā)揮了重要作用。2.阿勒?哈茲尼（12世紀人）著有《智慧秤的故事》：二歐洲241.羅吉爾?培根（約1214--1294）的研究

英國人，是13世紀杰出的科學家。大膽同迷信、反動教會作斗爭，是近代自然科學的先驅。他提倡：②重視對數(shù)學的研究實驗方法和數(shù)學方法相結合是近代物理學產生的重要支柱。這種方法在西方始于阿基米德，經培根提到原則的高度，預示著近代科學即將誕生。①倡導實驗方法研究自然他是當時唯一旗幟鮮明地主張科學實驗的人。通過實驗培根發(fā)現(xiàn)了火藥的成分；發(fā)明了暗室；用光線在雨滴中的折射解釋了虹的成因；提出用平凸透鏡制成望遠鏡的設想；研究過蒸汽的作用，并預言可以造出不用人力漿的航船，不用馬拉的自動行駛的車，以及能在天上飛行的裝置等。1.羅吉爾?培根（約1214--1294）的研究②重視對數(shù)252.沖力說

6世紀時的斐勞波諾斯在注釋希臘著作時，曾批評了亞里士多德的空氣動力說，同時提出“無形注入的力”。他否認天體的運動是神靈推動的，而是上帝在初始時就賦予天體的一種力?？恐@種力來維持天體的運動，這種力是永恒的。

14世紀牛津大學的威廉和巴黎大學校長布里丹又發(fā)展了“無形力”思想，提出“沖力”概念，并認為沖力的大小與物體的密度、體積、速度成正比。這正是沖量的初步概念。培根的思想遠遠超過了他的時代，并寫了很多著作。由于培根的科學思想為當時的教會所不容，在教會的嚴格監(jiān)視下，培根在巴黎寺院里生活了10年，后來又被關進監(jiān)獄14年之久，出獄后兩年便與世長辭。他的主要著作《大著作》、《小著作》、《第三著作》等也沒有流傳，只有其中一小部分以手抄本的形式保留下來。

2.沖力說

6世紀時的斐勞波諾斯在注釋希臘著263.運動學的研究

在分析落體運動時，布里丹等和其他學者一樣，也認為重量是運動變化的第一原因。重力可使物體下落，同時也產生沖力的累積和增加；這種連續(xù)的增加，導致物體速度的持續(xù)增加。

14世紀早期，在牛津大學的梅頓學院，一批學者也開始討論運動問題，并定義了勻速運動和勻加速運動（后來伽利略直接利用了這些定義）。提出了平均速度定理：一個物體，從靜止開始均勻加速，在一定時間內運行一段距離。如果同一物體在同一時間間隔內用等于它的勻加速時間間隔的中點的瞬時速度作勻速運動，它將通過相等的距離。這是中世紀物理學研究的最重要成果之一。3.運動學的研究27

1350年前后，巴黎的尼古拉?奧雷斯姆在《論性質的構形》中對平均速度定理給出了最完美的證明：S?ABC=SABGF

AB軸表示時間，AC軸表示速度奧雷斯姆的證明在14—15世紀的歐洲廣為人知。這對以后伽利略關于運動的研究應有深刻影響。另外，薩可森的艾爾波特也曾指出，兩個大小不同因而重量不同的同質物體在虛空中將以同等速度下落。這都為伽利略關于運動的研究打下了基礎。

總之，中世紀晚期的物理學研究已取得了很大的進步，并且為近代物理學的建立創(chuàng)造了一定條件。

1350年前后，巴黎的尼古拉?奧雷斯姆28啟明之光:三.古印度、巴比倫和阿拉伯的貢獻古印度天文臺4.古印度、巴比倫和阿拉伯在天文學、數(shù)學方面的貢獻：

據載，古印度發(fā)現(xiàn)了十進制記數(shù)法，經阿拉伯傳到歐洲，逐步演變?yōu)楫斀竦摹鞍⒗洈?shù)”。在祖沖之之后1000年，阿拉伯數(shù)學家求得圓周率π，準確到小數(shù)點之后17位。啟明之光:三.古印度、巴比29一.古代物理學的特點第五節(jié).亞里士多德的物理學二.亞里士多德的物理學一.古代物理學的特點第五節(jié).亞里士多德的物理學二.亞里士多30亞里士多德的物理學：一.古代物理學的特點1.物理現(xiàn)象雖被發(fā)現(xiàn)和記錄下來，但未形成系統(tǒng)的理論。2.受神學的支配很強。3.天才的臆測建立在籠統(tǒng)的直覺觀察之中。一.古代物理學的特點亞里