經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展歷史與建立過程研究

1、經(jīng) 典 物 理 學(xué)發(fā)展歷史和建立過程研究物理學(xué)主要研究的是物質(zhì)，在時空中物質(zhì)的運動，和所有相關(guān)概念，包括能量和作用力。更廣義地說，物理學(xué)是對于大自然的研究分析，目的是為了要明白宇宙的行為。物理學(xué)是最古老的學(xué)術(shù)之一，在過去的兩千年里，物理學(xué)與哲學(xué)，化學(xué)等等經(jīng)常被混淆在一起，相提并論。直到十六世紀(jì)科學(xué)革命之后，才單獨成為一門現(xiàn)代科學(xué)?，F(xiàn)在，物理學(xué)已成為自然科學(xué)中最基礎(chǔ)的學(xué)科之一。物理學(xué)的影響深遠，這是因為物理學(xué)的突破時常會造成新科技的出現(xiàn)，物理學(xué)的新點子很容易會引起其它學(xué)術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生共鳴。從古希臘自然哲學(xué)到伽利略和牛頓的經(jīng)典物理學(xué)，大致經(jīng)歷了四個階段：古希臘時期、中世紀(jì)時期、文藝復(fù)興時期、科學(xué)革命時

2、期。每個時期有著不同的特點，也都有各自具有代表性的人物與學(xué)說。本文將以時期為分界線，以各個時期的代表性學(xué)說為線索，深入探討從古希臘自然哲學(xué)到伽利略和牛頓經(jīng)典物理學(xué)的發(fā)展歷史和建立過程。一、 古希臘時期 古希臘的自然哲學(xué)最早是由奴隸制城邦米利都的哲學(xué)家們提出的。他們的自然觀是樸素和原始的，但是卻有著重大的意義：它打破了古希臘人關(guān)于世界起源的神話信仰，而代之以純粹的理性解釋。（1） 、古希臘物質(zhì)本原思想元素論。元素論起源于城邦時期。米利都學(xué)派創(chuàng)始人泰勒斯認(rèn)為萬物本原是水；其學(xué)生阿那克西曼德，認(rèn)為世界的本原應(yīng)是無任何固定性質(zhì)的“無限者”，即沒有固定的界限、形式和性質(zhì)的東西，由它生出土、水、氣、火等；

3、阿那克西曼德的學(xué)生阿那克西米尼，則將萬物的本原看作是“空氣”；赫拉克利特認(rèn)為是“火”；恩培多克勒提出“四根說”，即物質(zhì)由土、水、氣、火四種元素構(gòu)成。亞里士多德在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，提出：地上萬物由土、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(zhì)構(gòu)成。數(shù)的和諧思想。創(chuàng)始人是畢達哥拉斯。他認(rèn)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。由于注重數(shù)的比例關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了數(shù)學(xué)上的畢達哥拉斯定理（勾股定理）與音樂上的五度相生律。認(rèn)為世界上的一切現(xiàn)象和

4、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(xué)上的簡單性、對稱性與和諧性。畢達哥拉斯學(xué)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(xué)傳統(tǒng)。對后來自然科學(xué)的孕育、形成和發(fā)展產(chǎn)生了巨大作用?！皵?shù)的和諧”成為后來以至今天科學(xué)研究的一個重要指導(dǎo)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(xué)家的指導(dǎo)思想與科學(xué)方法。原子論。創(chuàng)始人是米利都學(xué)派的留基伯和其學(xué)生德謨克利特(公元前460-前370)。接受了畢達哥拉斯的超感性世界的認(rèn)識，但不接受“數(shù)”的本原觀點。他將微觀的幾何點同“存在”結(jié)合起來，認(rèn)為“存在”是不可分的、不變的、球形的。并將“存在”取名為“原子”

5、。100年后雅典的伊壁鳩魯發(fā)展了這一學(xué)說：原子本身不僅有形式上的差別，還有大小和重量的不同。只要不遇到任何阻抗，原子在虛空中以同樣的速度運動著。但是，由于原子內(nèi)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(chǎn)生渦旋運動。羅馬科學(xué)家盧克萊修也繼承和傳播了原子論。并用塵埃在陽光中的飛舞比喻原子的運動。(二)、古希臘的物理學(xué)知識古希臘的物理知識主要集中在力學(xué)和光學(xué)兩個方面。力學(xué)主要有亞里士多德的動力學(xué)思想和阿基米德的靜力學(xué)。亞里士多德的力學(xué)研究。關(guān)于空間：他認(rèn)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。”但他認(rèn)為宇宙有限和天球以外是空虛的

6、。關(guān)于時間：他認(rèn)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(rèn)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。關(guān)于運動：他認(rèn)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。阿基米德的力學(xué)成就。阿基米德是古希臘最著名的物理學(xué)家，數(shù)學(xué)和力學(xué)大師。后人稱其為“物理學(xué)之父”。著有論平面的平衡論浮體，其數(shù)學(xué)研究在歐幾里德之后達到那個時代的頂點。他發(fā)現(xiàn)了杠桿原理、浮力定理，證明了正圓柱體 內(nèi)切球的體積與該圓柱體積之比為2:3，提出了重心的概念和物體重心的求法，計算了的數(shù)值在3又10/71和3又1/7之間

7、，發(fā)明了滑輪組，發(fā)明了阿基米德螺旋提水器等。二、中世紀(jì)時期(一)、阿拉伯人的物理成就阿勒哈增著有光學(xué)全書,研究了眼睛的結(jié)構(gòu)，如“網(wǎng)膜”、“角膜”、“玻璃狀體”、“前房液”等術(shù)語均出自于他。認(rèn)為視覺是光線從物體發(fā)出進入人眼所致；認(rèn)為光的入射線、反射線和法線都在一個平面內(nèi)；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。阿勒哈茲尼著有智慧秤的故事，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(guān)；提出物質(zhì)的量與重量不同，兩者成正比關(guān)系；最早提出速度的概念：用路程

8、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(jì)開始大量翻譯希臘的經(jīng)典著作。從10世紀(jì)中葉開始，歐洲一些學(xué)者，將阿拉伯文的書翻譯成拉丁文。到12世紀(jì)，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(fù)興和科學(xué)革命準(zhǔn)備了學(xué)術(shù)上的重要條件。另一重要事件是大學(xué)的建立。12-13世紀(jì)，在歐洲建立了牛津大學(xué)(1168)、劍橋大學(xué)(1209)、巴黎大學(xué)(1253)和波倫亞大學(xué)；后來人們仿照這三所大學(xué)又建立了一些大學(xué)，同時在大學(xué)內(nèi)又相繼成立了一大批專門的學(xué)院，這些學(xué)院對中世紀(jì)晚期學(xué)術(shù)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。羅吉爾培根。大膽同迷信、反動教會作斗爭，是近代自然科學(xué)的先驅(qū)。他提倡實驗方法研究自然，

9、重視對數(shù)學(xué)的研究。三、文藝復(fù)興時期機械論的提出。機械論觀點認(rèn)為：首先，這個世界是由幾種要素結(jié)合而成的；其次，對這些要素的行為不能像亞里士多德那樣，只用目的論來解釋，而要從因果性上去理解。具體的講，要素的性質(zhì)和行為，能夠用力學(xué)術(shù)語來描述。所有的自然現(xiàn)象，都可以通過要素的力學(xué)行為從結(jié)構(gòu)上加以說明，要站在這種立場上來研究自然現(xiàn)象。近代科學(xué)，由于機械論世界觀的確立，開始有可能建立起來了。理論與實踐開始結(jié)合。文藝復(fù)興時期另一促成近代科學(xué)產(chǎn)生的進步是打破了之前理論與實踐彼此分離的局面。在文藝復(fù)興時期，理論與實踐開始結(jié)合起來。這種現(xiàn)象的原因之一在于文藝復(fù)興的藝術(shù)家貫通了這兩個領(lǐng)域：他們既是出類拔萃的匠人，也

10、對科學(xué)理論進行了深入地研究，促進了數(shù)學(xué)和科學(xué)的發(fā)展。他們使科學(xué)比過去更重視經(jīng)驗和實踐。另外，過分偏重神學(xué)的大學(xué)的威望下降及有閑階層對煉丹術(shù)和占星術(shù)興趣越來越大，也是個中原因。開普勒的貢獻。開普勒是一個深受畢達哥拉斯和柏拉圖影響的數(shù)學(xué)家，他堅信上帝是按照完美的數(shù)學(xué)原則來創(chuàng)造世界的。他以數(shù)學(xué)的和諧來探索宇宙體系。開普勒是星學(xué)之王第谷的助手，第谷在臨終前將自己多年積累的天文觀測資料全部交給了開普勒，于是開普勒一邊根據(jù)第谷的觀測資料重新編制行星表，并于1627年出版了盧道夫行星表，一邊進行著對行星軌道特點的研究。發(fā)現(xiàn)火星軌道是一種橢圓，并進而發(fā)現(xiàn)每個行星都沿橢圓軌道運動，太陽就在一個焦點上；接著又發(fā)現(xiàn)

11、面積定律。開普勒的上述重要發(fā)現(xiàn)，為牛頓創(chuàng)立天體力學(xué)理論奠定了基礎(chǔ)。開普勒是用數(shù)學(xué)公式表達物理定律并成功的人之一。從此開始，數(shù)學(xué)方程就成為表達物理定律的基本方式。伽利略的運動理論。運動的描述和分類：提出將運動分為勻速運動和變速運動。自落體定律：從思想實驗得出的一個佯謬入手，對亞里士多德的落體學(xué)說反駁；通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)出自由落體為勻加速運動；設(shè)計了“沖淡重力”實驗，即著名的“斜面實驗”為了把斜面實驗推廣到豎直情況的自由落體運動，提出了“等末速度假設(shè)”，并用一個單擺實驗驗證了假設(shè)。由等末速度假設(shè)得到了沿斜面下滑的加速度g1和重力加速度g之間的關(guān)系。慣性原理：“等末速度假設(shè)”和單擺擺球的等高性實驗，把伽利

12、略引向另一個理想實驗，“任何速度一旦施加給一個運動著的物體，只要除去加速或減速的原因，此速度就可保持不變；不過，這是只能在水平面上發(fā)生的一種情形?！边@一思想實驗，有力地證明了外力不是物體運動的原因，而是運動速度變化的原因。運動的獨立進行原理：假設(shè)物體以水平初速度拋出，這時物體將同時參與一個勻速的水平運動和一個勻加速的下落運動這兩個運動既不彼此影響、干擾，也不互相妨礙”。這就是運動的獨立進行原理。相對性原理：在批駁“倘若地球運動，就會把地球上面的物體拋到后面去”的謬論時，伽利略指出，從行駛的航船的桅桿上落下的石子，仍會落在桅桿腳下；只要船的運動是均勻的，也不忽左忽右擺動，人們所觀察到的現(xiàn)象同船靜

13、止時完全一樣，人們跳向船尾不會比跳向船頭更遠；從掛著的水瓶中滴下的水滴仍會滴進下方的罐子里；蝴蝶和蒼蠅四處飛行，決不會向船尾集中，或者是為了趕上船的運動而顯出疲勞的樣子。這些現(xiàn)象表明，在船里所做的任何觀察和實驗，都不能夠判斷船究竟是在運動還是停止不動?！边@一原理的發(fā)現(xiàn)，是人類科學(xué)史上的一個重大飛躍，對物理學(xué)基礎(chǔ)理論的發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響。四、科學(xué)革命時期牛頓的絕對時空觀：時間是絕對的，空間是絕對的，運動是絕對的，而靜止則是相對的。“絕對的、真正的和數(shù)學(xué)的時間自身在流逝著，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”；(“絕對的空間，就其本性而言，是與外界任何事物無關(guān)而永遠是相同的

14、和不動的”；“絕對運動是一個物體從某一絕對處所向另一絕對處所的移動”；“真正的、絕對的靜止，是指這一物體繼續(xù)保持在不動的空間中的同一個部分而不動”。在此基礎(chǔ)上，牛頓提出了三大定律。牛頓第一定律（慣性定律）：任何一個物體在不受任何外力或受到的力平衡時，總保持勻速直線運動或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有作用在它上面的外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。牛頓第二運動定律：物體的加速度跟物體所受的合外力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。牛頓第三運動定律：兩個物體之間的作用力和反作用力，在同一直線上，大小相等，方向相反。萬有引力定律的建立。英國的胡克、倫恩和哈雷在引力問題的研究上都做出了重要貢獻。胡克最早覺察到引力與重力有同樣本質(zhì)，他曾在山頂和礦井下進行實驗，以確定重力隨離地心的距離而變化的關(guān)系，但沒得出結(jié)果。1680年初，在給牛頓的信中，胡克提出了引力反比距離的平方的猜想；1679年哈雷和倫恩導(dǎo)出了作用于行星的引力與它們到太陽的距離的平方成反比，但是，他們還不能證明行星在橢圓軌道下也是如此。1684年810月，牛頓作了論運動的演講，明確敘述了向心力定律，證明了橢圓軌道運動的平方反比關(guān)系。后來又定義了質(zhì)量的概念，探討了引力和質(zhì)量的關(guān)系，才把他引向萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)。牛頓通過靠近地面的“小月亮”運動的思想實驗，論證了“使月球保持在它軌道上的力，就是我們通常稱為重力的力”。 通