第二章西方古代物理學(xué)(簡)

第二章西方古代物理學(xué)1.古希臘時期：前8世紀--4世紀2.中世紀：5—15世紀分期第一節(jié)古希臘物質(zhì)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(xué)知識第四節(jié)中世紀的物理學(xué)知識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(xué)文化發(fā)展的中心。出現(xiàn)了大批著名的哲學(xué)家和科學(xué)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。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(nèi)還建立了博物館和圖書館（謬斯學(xué)院），聚集了大批優(yōu)秀的科學(xué)家。科學(xué)文化的中心也自然的轉(zhuǎn)為埃及的亞歷山大城；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(xué)開始衰退，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(xué)再度中興。這時科學(xué)家已經(jīng)轉(zhuǎn)為重視使用的氛圍中，研究活動多與實際生活的需求相關(guān)。或者表現(xiàn)為對以往科學(xué)的注釋上。2.中世紀可以細分為三個時期（5世紀---15世紀）①黑暗時代（5—8世紀）：內(nèi)部奴隸起義，外部日爾曼部落入侵，西歐逐漸過度到封建領(lǐng)主土地所有制。同時基督教成為羅馬國教。消滅一切異教文化，對整個社會實行嚴酷的思想統(tǒng)治和愚昧政策，違背宗教的見解受到懲罰。圣經(jīng)的語句具有法律效力。古希臘學(xué)術(shù)終結(jié)。②阿拉伯文化時代（8—11世紀）：地處東西方貿(mào)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(xué)術(shù)典籍，對后來歐洲文藝復(fù)興乃至近代科學(xué)產(chǎn)生重大影響。③經(jīng)院哲學(xué)時代（11—15世紀）：經(jīng)院哲學(xué)是以理論形式裝扮起來的為封建統(tǒng)治階級服務(wù)的官方哲學(xué)。經(jīng)院哲學(xué)所進行的一切論證均以圣經(jīng)詞句作為出發(fā)點和終極真理，根本無視經(jīng)驗和實踐，敵視對自然界進行科學(xué)研究。代表人物托馬斯?阿奎那（1226—1274）將亞里士多德的學(xué)說神話，使其成為不可侵犯的權(quán)威。反叛代表培根。武漢大學(xué)趙林講“亞里士多德”及古希臘背景第一節(jié)古希臘物質(zhì)本原思想一元素論二數(shù)的和諧思想三原子論山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院一元素論1.城邦時期（公元前8世紀—前4世紀）泰勒斯(米利都學(xué)派創(chuàng)始人，公元前624-前547)認為萬物本原是水；萬物生于水又復(fù)歸于水。

阿那克西曼德(泰勒斯學(xué)生，公元前610-前547)，認為世界的本原應(yīng)是

“無限者”

(一種沒有固定的界限、形式和性質(zhì)的東西)，由它生出土、水、氣、火等。阿那克西米尼(泰勒斯學(xué)生的學(xué)生，公元前585-前528)，則將實實在在的“氣”看作是萬物本原；

赫拉克利特（一城邦邦主，公元前540-前475）認為是“火”；

恩培多克勒(西西里島的一位王子，公元前493-前433）：提出“四根說”，即物質(zhì)由水、土、氣、火四種元素構(gòu)成。這四種元素以“愛”和“恨”相吸或排斥而結(jié)合成萬物，萬物的變化就是這四種元素的分離與重新組合。2.亞歷山大時期

亞里士多德在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，提出：地上萬物由水、土、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。山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院二“數(shù)的和諧”思想--創(chuàng)始人：畢達哥拉斯（約前584-前497）公元前6世紀至公元前5世紀，畢達哥拉斯創(chuàng)建了古希臘哲學(xué)中很獨特的一個學(xué)派，這是一個研究數(shù)學(xué)與宗教的秘密結(jié)社，公元前5世紀分裂為科學(xué)派和宗教派。畢達哥拉斯學(xué)派反對物質(zhì)元素是萬物本原的觀點，認為數(shù)是獨立于物之外的實質(zhì)，數(shù)是萬物本原，“萬物皆數(shù)”，“數(shù)支配著世界”，“萬物的本原是一”。由數(shù)可以產(chǎn)生幾何上的點、線、面、體，有了體才可以有火、氣、水、土元素，從而產(chǎn)生萬物,數(shù)在物之先，數(shù)是事物的終極原因。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(xué)上的簡單性、對稱性與和諧性?！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。山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院三原子論創(chuàng)始人：米利都學(xué)派的留基伯(公元前500-前440)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，認為“存在”是不可分的、不變的、球形的。并將“存在”取名為“原子”。100年后雅典的伊壁鳩魯（公元前341-前270）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（約公元前95-前55）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。到17世紀，法國科學(xué)家伽桑狄（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(xué)的原子論作了必要的準備和中介。第二節(jié)古希臘時期對宇宙的認識1.畢達哥拉斯學(xué)派（唯美學(xué)派）認為天體的形狀是球形，天上應(yīng)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。2.柏拉圖學(xué)派---地球中心說繼承和發(fā)展了畢達哥拉斯學(xué)派對科學(xué)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(fù)合的圓周運動。提出地球為運動中心的同心球?qū)幽Ｐ汀４砣宋铮喊乩瓐D、歐多克斯和亞里士多德等。并最終由托勒密（約90—168）發(fā)展和完善。恒星天地球

月亮

水星

金星 太陽

火星

木星

土星

原動天地心說的矛盾：行星的亮度變化、逆行現(xiàn)象、及日偏食、日全食等現(xiàn)象和同心球?qū)咏Y(jié)構(gòu)矛盾。例如：從地球上看，水星和金星總是在太陽方向的一個角度范圍內(nèi)，從不遠離太陽，并且有時亮有時暗一些，甚至還有逆向運動。地心說的發(fā)展-----“本輪—均輪”結(jié)構(gòu)模型

阿波羅尼（Apollonius,約前247—前205）提出了“本輪—均輪”結(jié)構(gòu)模型：行星沿著本輪做圓周運動，本輪的中心又在以地球為中心的均輪上做圓周運動。之后的希帕克斯(Hipparchus,前161-前126)又發(fā)展了偏心輪和本輪—均輪體系。這樣，根據(jù)“本輪—均輪”結(jié)構(gòu)模型，就可畫出金星的運行軌道，即金星沿軌道繞日運轉(zhuǎn)，然后和太陽一起再繞地球運轉(zhuǎn)。如右圖地球金星地心說體系最終由希臘晚期亞歷山大城的數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家托勒密（Ptolemaeus,約90—168）發(fā)展和完善：他用80個輪來解釋天體的運動，與實測數(shù)據(jù)符合的較好。后來被宗教利用來宣傳教義，流行了1400多年。問題：隨著觀測精度的不斷提高，發(fā)現(xiàn)這樣組合成的軌道與觀測軌道有差異，就在本輪上再加一個本輪，這樣一個輪又一個輪的加上去。像疊羅漢似的不斷增加。到了哥白尼時代，按照地心說的觀點，描述一個天體的運動，所用本輪和均輪的數(shù)目已增加到了80多個，因此托勒密體系太復(fù)雜了。3.太陽中心說

阿里斯塔克（Aristarchus,約公元前310—前230）：他在所寫的《太陽和月亮的大小與距離》(OntheSizesandDistancesoftheSunandMoon)一書中提出：太陽是宇宙的中心，地球和行星都圍繞太陽運轉(zhuǎn)，地球每年繞太陽轉(zhuǎn)一周，又每天自轉(zhuǎn)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。

由于這一思想遠遠超過了當時的天文學(xué)和力學(xué)的知識水平，所以不為當時的人們所接受，并長期受到教會的壓制。一力學(xué)知識1.亞里士多德關(guān)于運動的分類

自然運動和強迫運動

自然運動是指由于物體在“內(nèi)在目的”的支配下尋找其“天然位置”的運動，與物質(zhì)所含元素有關(guān)，如：含土元素的重物的天然位置在地心，所以重物垂直下落；由火元素構(gòu)成的輕物的天然位置在天空，所以輕物豎直上升；等等。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(zhì)中受到的阻力成反比。

第三節(jié)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)。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(xué)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。1.亞里士多德簡介（希臘，約公元前384-公元前322）:

出生于希臘北部的一個城邦，18歲進入柏拉圖學(xué)園，并在此學(xué)習(xí)和工作了20年之久。柏拉圖死后，亞里士多德離開了學(xué)園，不久到了馬其頓，任宮廷教師，約在公元前342年，他成為王子亞力山大的私人教師。公元前335年，又回到雅典，創(chuàng)辦了呂克昂學(xué)園。亞里士多德的研究很廣泛，他系統(tǒng)研究了邏輯學(xué)、政治學(xué)、論理學(xué)、文學(xué)、天文學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)等，著述甚豐，據(jù)說上千卷，包括《形而上學(xué)》、《物理學(xué)》、《論理學(xué)》、《工具篇》等。被稱為古希臘思想史上的“百科全書”。在科學(xué)領(lǐng)域里起著奠基性的作用。由于他和弟子們常在散步時進行哲學(xué)討論，所以被稱為“逍遙學(xué)派”。亞氏觀點從歸納日常生活出發(fā)，加上哲學(xué)思辯，后來發(fā)展為經(jīng)院哲學(xué)，成為自然科學(xué)的障礙。6）發(fā)明了滑輪組；2.阿基米德（公元前287—前212）

古希臘最著名的物理學(xué)家，數(shù)學(xué)和力學(xué)大師；生于意大利的敘拉古，11歲時他到埃及的亞歷山大學(xué)習(xí)。在那里他接受了東方和古希臘的優(yōu)秀的文化教育。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。

1）杠桿原理---奠定了靜力學(xué)的基礎(chǔ)；

2）浮力定理---阿基米德定理；

3）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；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(xué)上推導(dǎo)論證。

4）提出了重心的概念和物體重心的求法；之間；7）發(fā)明了阿基米德螺旋提水器等。175）計算了π的數(shù)值在310和3 71山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院故事1)銅鏡燒船:在保衛(wèi)敘拉古免受羅馬海軍攻擊的戰(zhàn)斗中，阿基米德利用杠 桿技術(shù)制造了遠、近距離的投石機攻擊敵艦，并用滑輪組把敵艦的船頭 拉倒。據(jù)說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(xué)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。2)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”。3)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。意義：阿基米德的力學(xué)研究方法具有“一般”的意義。阿基米德在提出了著名的浮力定律和杠桿原理的過程中所采用的公理化方法---將實驗和數(shù)學(xué)推理結(jié)合起來，成為近代甚至現(xiàn)代物理學(xué)研究的重要方法之一。（被稱為“物理學(xué)之父”）二光學(xué)知識1.歐幾里德（約前330—前275）建立的優(yōu)美的平面幾何。他將平面幾何引入到光學(xué)研究，建立了幾何光學(xué)，著有《反射光學(xué)》：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(chǎn)生是從人眼睛發(fā)射出的光線被物體反射回來的結(jié)果。2.希?。℉eron,前150—前100）：用光程最短原理論證了光的反射定律。

光反射時通過的路程SMS’比任何其他的路程SM’S’都短。這個原則后來為費馬(Fermat)所發(fā)展。月地θ應(yīng)用：

1.阿里斯塔克：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。

日

1.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(gòu)成直角 三角形：

根據(jù)測量的角度θ計算出日-地距離為 月-地距離的20倍（實際為400倍）。啟明之光:二.古希臘時期的物理進展A

S井AS

θL=2πRR=2.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。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(jù)幾何關(guān)系可知，∠AOS=θ，OS=0A為地球半徑，則：

∩計算得：L≈39000千米現(xiàn)在測量數(shù)據(jù)約為40000千米第四節(jié)中世紀的物理學(xué)知識（一）阿拉伯人的物理成就阿拉伯時期穆斯林在物理學(xué)方面取得的成就主要集中在光學(xué)與力學(xué)方面。

金迪（公元801

？-873年）：物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家、哲學(xué)家、化學(xué)家和音樂理論家，一生至少著有265部學(xué)術(shù)著作，但是傳世的只有15部拉丁文譯本。它們是關(guān)于氣象、比重、潮汐、（幾何）光學(xué)，以及音樂理論等方面的論述，許多內(nèi)容是與物理有關(guān)的。

塔比特（公元826-901年）寫了一部研究杠桿的力學(xué)著作

《杠桿的平衡》，他在該書中成功地證明了杠桿的平衡原 理。比魯尼（公元973-1050年）研究過流體靜力學(xué)與物體的瞬間運動與加速度；他發(fā)現(xiàn)了光的傳播速度快于聲音；精確地測定了不同類型寶石的比重；并且為所有已知的復(fù)合物與物質(zhì)元素建立了比重表；還正確地解釋了噴泉與自流井的成因……哈茲尼設(shè)計一種奇妙的“智慧秤”，這種稱在沒有砝碼的情況下也能測量物質(zhì)的重量和比重。為此他在1137年還寫了一本書《智慧秤的故事》。另外，哈茲尼對比重的研究卓有成效。他發(fā)現(xiàn)空氣具有重量，使得阿基米德的浮力定律在空氣中也能適用。哈茲尼還發(fā)現(xiàn)并證明越接近地心水的密度越大，他知道物體在不同高度測量重量是不同的，進而提出了一種重要的物理學(xué)思想——物質(zhì)的（質(zhì)）量不同于重量，而且二者之間的關(guān)系是正比關(guān)系。阿勒?哈增（公元965-1040年）

著有《光學(xué)全書》，研究了光的反射和折射；說明了光在同一物質(zhì)中是沿直線傳播的；研究了平面鏡、球面鏡、柱面鏡和拋物面鏡成像，以及球面鏡像差和透鏡的放大率。并首先應(yīng)用數(shù)學(xué)方法解決幾何光學(xué)問題。

另一項重要貢獻是對視覺原理的闡釋。在阿勒.哈增以前，人們一直堅信古希臘學(xué)者柏拉圖和歐幾里德提出的“視覺是由于眼睛發(fā)射出光線照射于物體上而產(chǎn)生的”這一錯誤觀念，而哈增的認為——視覺是反射光線射入眼球所致。還研究了眼睛的結(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。(二)歐洲的物理成就1.歐洲大學(xué)的建立

12-13世紀，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)院對中世紀晚期學(xué)術(shù)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。2.羅吉爾?培根（約1214--1294）的物理成就英國人，是13世紀杰出的科學(xué)家。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：①倡導(dǎo)實驗方法研究自然

他是當時唯一旗幟鮮明地主張科學(xué)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