发布时间 : 星期五 文章第二章近代自然科学的诞生和发展更新完毕开始阅读e84333e0c281e53a5902ff15
比例地增加。据传伽利略作过比萨斜塔实验，但没有原始记录作证据。但在1586年以前，斯台文(SimonStevin，1548—1620)确实做过反驳亚里士多德观点的落体实验：从30英尺的高处，同时让两只铅球自由下落，其中一只是另-一只重量的10倍，而到达地面上发出的清晰响声好像是一个声音。
伽利略在《关于两种新科学的对话》(The dialogues concerning twonew sciences)中不仅反驳了亚里士多德的运动观念，而且讨论了匀速运动、加速运动、单摆和抛射体运动的规律。关于匀速运动，他给出了以下定义：“我们称运动是匀速的，是指在任何相等的时间间隔内通过相等的距离。”关于匀加速运动，则是指“运动质点在相等的时间间隔里获得相等的速率增量”。在这两个概念的基础上，再引入“合成速度”的概念，就可以容易地解释抛物体的运动。伽利略将抛物体运动分解为水平方向的匀速运动和垂直方向的匀加速运动，从而证明了意大利数学家塔尔塔利亚(Niccolo Tartaglia，1499～1557)早期的发现：抛物体仰角为45。时可有最大射程。他第一个成功地证明了炮弹的运动轨迹是一条抛物线。
伽利略在单摆实验和小球在相对的两斜面上滚下与滚上运动的实验中发现类似机械能守恒定律的思想，由此得出惯性的概念，从而否定了亚里士多德“力是运动原因”的错误，建立了“力是改变运动的原因” 的思想。这些思想连同他对匀速和匀加速运动的定义—起，为牛顿的运动第一和第二定律的最终表述奠定了基础。
伽利略通过对单摆的研究发现：单摆的摆动周期与振幅无关。传说这是1582—1583年他在比萨大学学习时，在比萨教堂观察吊灯时发现的。但据考证，比萨教堂的吊灯是1587年制造的，此时伽利略早已离开了比萨。但在1602年信件中他的确提到了单摆实验，而在《关于两种新科学的对话》中他详细地描述了这些实验及其结果，证明单摆周期不依赖于摆的重量和材料，而和摆的长度的平方根成比例。不过，单摆周期严格的表达式
是惠更斯首先提出的，其中T表示单摆周期，L表示单摆的摆长，g表示
重力加速度，据说伽利略于1638年也得到了这一结果。
由于伽利略想要发现的不是物体为什么运动(降落)，而是怎样运动(降落)，并通
过实验揭示厂其中的数学关系，这就使得从他开始，时间与空间在物理科学中具有了根本性的意义。不过，由于他认为惯性定律只有在水平面上才成立，因此他的力学停留在重力影响占绝对优势的地面力学上，而未能扩展到天体力学，只有笛卡儿和牛顿才把惯性定律作为普通的力学基本原理来把握。 二．开普勒三定律的发现
1609～1619间，德国天文学家开普勒(Johannes Kepler，1571～1630)利用他的老师、丹麦天文学家第谷·布拉赫(Tycho Brahe，1546～1601)遗赠的大量准确的观测数据研究行星运动的规律，先后发现了行星运动的三条定律，科学史上习称为开普勒三定律。
开普勒第一定律亦称行星轨道定律。这一定律指出，行星运行的轨道不是正圆形而是椭圆形，它们围绕各自椭圆轨道的一个焦点运行(椭圆有两个焦点)，而这些焦点又都重合在一起，那就是太阳之所在。
开普勒第二定律又称行星运动面积定律，它指出在相等时间内行星与太阳联线所扫过的面积相等。
开普勒第三定律即行星运动周期定律，它指出任何两颗行星公转周期的平方与它们轨道长半径的立方成正比。
开普勒的工作以准确的观测数据为依据，他的结论无可争议。在西方流行了两千年的行星必定沿圆形轨道匀速运行的传统观念终于被打破了。开普勒因此被誉为“天空的立法者”。行星三定律的发现是天文学上又一重大突破。同时，它更进一步把天体运动的物理机制问题摆在人们面前：行星的运动轨道为什么是椭圆形?维持这些运动的力是什么?如此等等。开普勒的同辈人中曾有人猜测，太阳和行星可能是由于磁力作用而联系在一起的。在他们的启发下，开普勒提出了天体磁性引力假说。他考虑，既然地球是一块大磁石，太阳以及其他行星很可能也是大磁石，是太阳和行星之间的磁力作用使它们联系起来并且使行星围绕太阳沿椭圆形轨道运行。开普勒的假说虽然并不正确，但他揭开了天体力学研究的序幕。
三．惠更斯、胡克等人的贡献
同一个科学问题往往会由来自不同侧面的研究而得到解决，这种现象在科学史上很是常见。天体力学的问题得到了有关地面上的物体运动的研究成果的启发，这就是惠更斯和胡克等人的工作。惠更斯(ChristianHuygens，1629～1695)是荷兰科学家，他对物体围绕一个中心旋转的问题进行了研究，于1673年确认：一个围绕中心作匀速圆周运动的物体之所以不会沿切线方向飞去，是因为有一个向心力作用于该物体。这个向心力的大小与该物体的运动速率的平方成正比而与圆周的半径成反比，即向心力
（这
里m是物体的质量，v是物体的旋转速率，r是圆周的半径）。这就使人们认识到，必定是太阳给了行星一个引力，这个引力作用于行星，使行星围绕太阳旋转。英国科学家胡克（Robert Hooke,1635～1703）就是这样想的。1674年他在一次演讲中说到，在太阳吸引行星的同时，行星也同样吸引着太阳，从而提出了物体之间有相互的吸引力的想法，他说这种引力与磁性无关。1680年他更提出了这种引力的大小与距离的平方成反比的猜测。但是，引力与距离平方成反比的猜测是否能与行星依椭圆形轨道绕太阳旋转的事实相一致？这个问题一时难住了许多人。
2.2 牛顿力学体系的建立
一．近代最伟大的科学家——牛顿
伊萨克·牛顿(Isaac Newton，1642一1727)诞生在一个农民家庭，幼年身体很弱。他12岁进入文科中学读书时就显示出制造机械工具及其模型的天才。中学毕业后，在舅父推荐下他进入剑桥大学三一学院深造。在念文学士学位过程中，他完全依靠自修而攻读了数学与光学的名著以及天文学和力学等方面的最新成果，并于1665～1666年在家乡躲避伦敦一带的瘟疫期间发明了二项式定理的流数法，实现了对光的分解，并向万有引力定律的建立迈出了头几步。鉴于他的数学天才，他的老师巴罗于39岁就毅然辞去“数学卢卡斯讲座”教授的职位而让牛顿接替。不久他制造了反射式望远镜。这促使天文学家瓦尔德于1671年提议选牛顿为皇家学会会员，并当即被通过人选。但牛顿的光微粒说却受到主张波动说的胡克的批评，由此引发了科学史上著名的波动说与微粒说
之争。在此期间，他还发展了流数法，同时花费巨大精力研究引力问题，并于1684年将证明引力平方反比定律的手稿交给哈雷。在哈雷和皇家学会的推动下，他从此进入了对理论力学进行紧张研究的时期，并以1687年7月他的《自然哲学的数学原理》一书的出版而达到高潮。此后，牛顿还做过一些化学实验，可惜他的化学手稿于1692年的一次大火中与他的光学手稿一起被全部焚毁。加之他的《自然哲学的数学原理》不提上帝和蕴涵“反神创论”倾向受到宗教界和部分科学家的抨击和反对，以及胡克1692年向皇家学会提出万有引力定律发现权问题，导致性格孤僻而内向的牛顿因过度苦恼而神经哀弱以致失常。以后的牛顿除了从事货币改革、研究炼金术和注释圣经外，从1703年当选皇家学会主席至去世，还做过一个时期的议员。但近40年当中，他几乎没有什么突出的科学成就。牛顿以85岁高龄在主持一次皇家学会会议时突然发病，两周之后去世。他是英国历史上第一个获得国葬待遇的科家家。1731年牛顿的亲友在安葬牛顿的威斯敏斯特教堂建立了一座纪念碑，碑上刻着一首诗：“这里躺着牛顿爵土，他以超人的智力首先证明了行星的运动和图形、彗星的轨道和海洋的潮汐。他孜孜不倦地研究光线的各种折射率及其所产生颜色的种种性质。对于自然、考古和圣经是—位前所未有的勤奋、敏锐而忠实的诠释者。他的哲学中确认了上帝的尊严，他的行为中展现了真正的纯朴。让人类欢呼曾经生存过这样伟大的一位人类之光吧！”
二．牛顿经典力学体系的创立
牛顿经典力学体系，是以绝对化的四个基本概念空间、时间、质量、力为基础，以著名的三大定律为核心，以万有引力定律为最高的综合，用微积分来描述物体运动的因果律的一个结构严谨、逻辑严密、以实验和观察对结果进行验证的科学体系。《自然哲学的数学原理》就是这个体系的集中表现。
牛顿发现万有引力定律的过程前后历经20年之久。此间他受到当时一些著名物理学家(如哈雷和胡克)的帮助或启发；并借助了一些重要的天文观测结果，如皮卡特1679年关于纬度对应的地球表面长度的测定值，从而在伽利略地面力学和开普勒天体力学成就的基础上发现了万有引力定律。