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1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.第四章 17世纪物理学的发展哥白尼学说说几乎被所所有的新兴兴科学家一一致接受，教教会的迫害害反而使真真理的声音音广为传播播，伽利略略方法广泛泛受到欢迎迎，大批实实验室和科科学家涌现现。如：法国的笛卡卡儿、费马马、帕斯卡卡、马略特特意大利的托托里拆利荷兰的惠更更斯德国的莱布布尼兹英国的玻意意耳、胡克克、哈雷等等而在众多的的科学家中中，当时大大体上分为为两大类，一一类是主要要从事实验验，崇尚实实验归纳方方法。例如如：帕斯卡卡、马略特特、胡克等等，他们大大都十分强
2、强调实验的的意义，但但不重视数数学和推理理。另一类类是以笛卡卡儿、费马马和莱布尼尼兹为代表表，崇尚理理性演绎，在在数学上都都有相当的的成就。而而把实验和和理论两方方面结合得得较好，因因而成就比比较突出的的人物，就就是介于伽伽利略和牛牛顿之间的的科学家惠更斯斯。总之，177世纪是一一个伟大的的实验以及及理论活动动的时期。4.1 力学我们着重介介绍笛卡儿儿、胡克、惠惠更斯和牛牛顿的主要要成就。一、笛卡儿儿（1599616550）和胡胡克（1663517033）：（一）笛卡卡儿：1、哲学：笛卡儿在哲哲学上主张张二元论，一一方面认为为物质运动动是客观存存在的，另另一方面又又认为精神神也是实体体。他主张
3、张普遍怀疑疑，但最后后发现“我在怀疑疑”这一事实实再也不能能怀疑了。于于是得出“我思故我我在”的著名论论断。2、在自然然科学方面面，他的机机械宇宙观观，数学演演绎方法和和某些物理理规律对后后来都有较较大的影响响。笛卡儿儿认为，物物质是由微微粒这一唯唯一实体构构成的。机机械运动是是物质的唯唯一运动形形式。他否否认真空的的存在，认认为空间中中充满旋涡涡状运动的的微细物质质（以太），天天体间的作作用就靠这这种旋涡来来传播，而而不是超距距作用。这这些观点，包包括旋涡说说，近距作作用和无真真空等等，构构成机械论论宇宙观。这这些是用力力学代替神神学对宇宙宙作出统一一解释的第第一次尝试试，对于当当时及后来来
4、的物理思思想的发展展起了不小小影响。3、笛卡儿儿的方法论论对于后来来物理学的的发展也同同样重要。他他创立了数数学演绎法法。创立了了解析几何何学。解析析几何学使使变数进入入了数学，给给物理学的的研究方法法带来了直直接的便利利（如图解解法，为纪纪念笛卡儿儿而命名的的直角坐标标系）。可可以说，培培根的实验验法和笛卡卡儿的数学学演绎法，成成为近代物物理学方法法论的两大大源泉。4、在力学学上的主要要贡献：（1）明确确地叙述了了惯性定律律，他在哲哲学原理第第二章作了了如下表述述：只要物物体开始运运动，就将将继续以同同一速度并并沿同一直直线方向运运动，直到到遇到某种种外来原因因造成的阻阻碍或偏离离为止。（2
5、）提出出动量守恒恒定律，即即物质与运运动的总量量永远保持持不变，笛笛卡儿是从从哲学上来来加以论证证的。（3）碰撞撞定律：他他对碰撞及及离心力进进行了初步步研究，这这些研究成成果启发了了惠更斯。（二）胡克克：胡克从16662年起起任皇家学学会实验主主持人，他他是实验物物理学家、仪仪器设计师师。16778年，他他首次公布布了固体弹弹性定律：“有多大的的伸长量，就就有多大的的力。”，后经改改进才成为为胡克定律律的现代形形式，胡克克的实验技技术精湛，物物理思想活活跃，涉及及面除力学学、热学外外还有化学学、生物和和建筑等。但但他不大重重视数学，因因而对很多多重要问题题往往不能能贯彻到底底，加上性性格孤僻
6、，好好与人争，因因此多疑寡寡欢，不善善于与人合合作公事，影影响了才能能的充分发发挥。二、惠更斯斯（16229年16955年）：惠更斯在力力学、数学学、光学和和天文学方方面，是伽伽利略和牛牛顿之间的的一位重要要科学家，自自幼就表现现出很强的的动手能力力，13岁岁曾自制一一台车床。在在阿基米德德著作及笛笛卡儿的影影响下，又又勤奋地学学习力学、天天文和数学学。他的科科学活动的的特点是善善于把实践践活动与理理论研究结结合起来，透透彻地解决决问题，在在力学方面面对碰撞、钟钟摆和向心心力等问题题有突出的的贡献。对对于天文仪仪器的设计计制作也很很擅长。11663年年和16666年，他他先后被选选为英国皇皇家
7、学会和和法国皇家家学院的第第一个国外外会员和院院士。在体体弱多病的的情况下，他他一心致力力于科学事事业，终身身未婚。1、碰撞理理论：对碰撞问题题，伽利略略和笛卡儿儿等人都研研究过。伦伦敦皇家学学会在16668年16699年为了解解决对心碰碰撞专门进进行了悬赏赏征文。结结果，建筑筑师雷恩、数数学家沃里里斯和惠更更斯三人获获奖，惠更更斯的结果果最细微最最全面，尽尽管只限于于完全弹性性碰撞。他他提出：（1）质量量相等而方方向相反的的二物体正正碰后交换换速度；在在弹性碰撞撞中同方向向的动量保保持不变。他他想象一个个人站在以以速度作匀匀速运动的的船上，用用吊起的两两个相同的的钢球作碰碰撞实验。对对船而言
8、，两两球以同样样的速度相相接近而碰碰撞，在碰碰撞后（对对船而言）两两球将保持持碰撞前的的速度而被被弹开。这这个过程对对于站在岸岸上的人来来说两球是是以不同的的速度和相向碰撞撞的，碰撞撞后两球的的速度则分分别变为和和。于是就就可以得出出上述结论论。惠更斯斯还指出，这这个情形的的特例是：一个静止止的球同一一个质量相相同的球碰碰撞后，后后者立即停停止，而原原来静止的的球则获得得这一个速速度前进。（2）在完完全弹性碰碰撞中守恒恒，这一原原理对他自自己后来研研究摆的理理论起了重重要作用。2、摆的研研究：1656年年，惠更斯斯首先将摆摆引入时钟钟，并在11657、11658、11673年年先后取得得了摆钟
9、专专利，16673年出出版了摆摆式时钟或或用于时钟钟上的摆的的运动的几几何证明，这这本书中，他他指出了著著名的单摆摆周期公式式：。其中中为单摆往往或返的时时间，即半半个周期。根根据这一公公式，他在在巴黎用一一个周期为为2s 的单摆摆，精确地地测出摆长长，从而计计算出重力力加速度为为9.2。他他还提出了了复摆的完完整理论，并并求出与复复摆振动中中心有关的的17个问问题，这是是力学上第第一次在给给定重力场场中求解受受约束的质质点系的问问题。在这这些理论问问题解决后后，他利用用摆线理论论改进了摆摆钟的结构构与设计，还还设计了弹弹簧振动（游游丝）代替替挂摆的怀怀表。另外，精密密摆钟的发发明和广泛泛使用
10、，为为发现重量量和质量两两个概念的的差异提供供了一个条条件。16671年，法法国的里切切尔到南美美附近的卡卡因岛作天天文观测时时，发现他他从巴黎带带去的摆钟钟变慢了，当当他把摆长长适当缩短短，走时就就准确了。惠惠更斯对这这一现象做做了研究，他他认为这是是因为赤道道附近物体体受到更大大的离心力力，从而抵抵消了物体体的部分重重力。这就就得出，同同一物体在在地球表面面的不同特特点其重力力是不同的的。使人们们认识到重重量概念与与质量概念念的不同。3、向心加加速度定律律：惠更斯引入入了向心加加速度概念念以向心加加速度公式式：，为牛牛顿万有引引力定律的的推证提供供了依据。惠更斯的治治学方法和和重要成果果使
11、他成功功地解决了了质点力学学中最初碰碰到的几个个难题（碰碰撞、摆和和圆周运动动）并且展展现了理论论与实践结结合的威力力，为牛顿顿的综合作作了最好的的准备。惠惠更斯还有有其他方面面的成就，11680年年在巴黎研研究“行星机器器”，通过齿齿轮再现出出太阳系各各行星的周周期，这是是天文馆的的雏形。并并由此研究究出相当完完整的循环环小数理论论及天文中中近似值的的求法，在在天文望远远镜上加装装测微计以以提高精度度等。三、牛顿的的伟大综合合：（一）牛顿顿：恩格斯谈到到牛顿的成成就时说，牛牛顿“借助于万万有引力定定律而创建建了科学的的天文学，借借助于对光光的分解而而创造了科科学的光学学，借助于于二项式定定理
12、和无穷穷级数理论论而创造了了科学的数数学，借助助于对力的的本性的认认识而创造造了科学的的力学。”这是自然然科学史上上的第一次次综合。牛顿（16642年）出出生在英国国，他的诞诞生和伽利利略的死是是同一年。童童年时代牛牛顿就爱动动手制作机机械模型，也也喜欢读书书和思考。在在他12岁岁时，他的的母亲送他他到格兰撒撒姆的公立立学校读书书，在这所所学校里，他他造了一架架水钟，一一个风磨。11660年年他进入剑剑桥大学三三一学院念念书。剑桥桥是牛顿天天才的诞生生地。开始始，清寒的的助学金使使他不被富富有的学生生同等对待待，他的发发奋努力和和数学才能能受到巴罗罗教授的精精心培养。他他读过开普普勒的光光学、
13、巴巴罗的讲讲义，那那个时候，他他已经想到到了他的一一些最伟大大的发现的的初步观念念。16664年即成成为研究生生的第二年年，他因躲躲避鼠疫回回到家乡，这这两年是他他在数学、光光的颜色理理论、引力力问题等方方面才华横横溢、发明明兴趣浓厚厚的高峰时时代。牛顿顿晚年的挚挚友彭伯顿顿作了如下下详细的叙叙述：“当他独自自坐在花园园里时，他他沉浸在关关于重力的的思考之中中；忽然看看到一个从从树上掉了了下来的苹苹果，他大大吃一惊。他他发现重力力从地球的的中心到我我们所能上上升到的最最远距离都都不会有明明显的减弱弱，不管是是在最高的的楼顶，甚甚至在高山山的顶峰，也也没有明显显的减弱；在他看来来，有理由由作出这
14、个个结论，即即这个力必必然可以延延伸到比我我们通常想想象的距离离还要远；他自言自自语道：为为什么不能能高达月球球呢？如果果是这样，月月球的运动动肯定受到到重力的影影响；或许许它因此有有可能保持持在它的轨轨道上。”这个关于于引力思索索的故事，说说明牛顿开开始产生了了把地面上上物体的重重力和保持持月亮在它它的轨道上上的力看成成同一本质质的力的想想法。牛顿顿以他非凡凡的洞察力力在落体运运动与月亮亮运动之间间搭起了一一座智慧的的桥梁，觉觉察到天体体运动与地地球上的运运动的统一一性。在11669年年他写了论论圆运动，在在书中，他他开始对引引力的平方方反比率进进行地月验验证，但是是当时得到到的结果是是不符
15、合的的。直到113年后，牛牛顿依据地地球经度一一度之长的的新数据重重新计算，才才使计算结结果与实验验观测相符符。从而证证明了引力力与距离的的平方反比比的关系是是正确的。正正如牛顿所所猜想的，也也如胡克、惠惠更斯、哈哈雷和其他他人所猜想想到的一样样，即如果果开普勒第第三定律是是正确的，那那么，地球球和太阳系系的行星与与太阳之间间的吸引力力应反比于于距离的平平方。但是是，开普勒勒定律的准准确性在那那时是受到到怀疑的。证证明上述猜猜想，需要要的正是牛牛顿的天才才。1684年年8月10月，牛牛顿先后写写了论运运动以及及论物体体在均匀介介质中的运运动，11686年年4月他把把自然哲哲学的数学学原理原原稿
16、请求皇皇家学会出出版社出版版时遇到了了秘书胡克克的异议和和经费困难难，16887年由其其好友哈雷雷自费出版版，又过了了6年，牛牛顿成为皇皇家学会会会长（终身身制），11672年年牛顿发表表了关于于光和色的的新理论，与与胡克展开开争论，胡胡克17003年去世世。17004年，牛牛顿出版了了光学，晚晚年从事化化学研究和和埋头神学学著作。自自16933年起担任任造币局局局长。17727年去去世。牛顿顿说了一段段有名的话话：“如果我所所见到的比比笛卡儿要要远些，那那是因为我我站在巨人人的肩上。”牛顿所指的巨人，包括欧几里得的数学、笛卡儿的动量守恒、惠更斯的向心力等。在科学方法上，他以培根的实验归纳法为
17、基础，又吸收了笛卡儿的数学演绎体系，形成了他比较全面的科学方法：（1）重视视实验，从从归纳入手手，这是牛牛顿科学方方法论的基基础。牛顿顿本身在实实验上具有有高度的严严格性和技技巧，在原原理一书书中他描述述了大量实实验，例如如，为了证证明质量和和重量成正正比，用各各种同形状状、同阻力力、同地点点、同摆长长但不同物物体的摆验验证惠更斯斯公式，结结果证明所所有这些摆摆的周期在在误差内都都相等。他他的实验记记录如此认认真，以至至后来他在在某一摆锤锤实验记录录丢失后还还能回忆起起其中的主主要数据。（2）清晰晰的逻辑头头脑：牛顿顿在谈到自自己的工作作方法的奥奥秘时说“不断处于于对事物深深思”。伽利略略、笛
18、卡儿儿、惠更斯斯等人已经经用位移、速速度、加速速度、动量量等一系列列科学概念念代替了过过去亚里士士多德模糊糊不清的自自然哲学概概念。牛顿顿的功绩是是把它们加加以系统化化的同时，贡贡献出两个个关键性的的概念：力力和质量。他他把“质量”和“重量”区分开来来。并分别别与惯性和和引力相联联系。牛顿顿综合了天天上的月亮亮运动与地地上的自由由落体运动动，形成了了自己的体体系。（3）事物物之间的本本质联系只只有通过数数学方能归归纳为可进进一步测量量、应用和和检验的公公式或定律律。牛顿的的巨大数学学才能帮助助他解决了了旁人解不不开的难题题。他创造造新的数学学工具来研研究变量和和瞬时的关关系，简化化复杂的计计算
19、。没有有这些才能能，就不可可能建立起起运动三定定律和万有有引力定律律。（二）牛顿顿的主要成成就：1、牛顿自自然哲学的的数学原理理：1687年年牛顿发表表了原理理一书，全全书分为两两大部分，第第一部分包包括“定义和注注释”和“运动的基基本定理或或定律”，第二部部分是基本本定律的应应用。这部部伟大的著著作的出版版，标志着着经典力学学体系的建建立。 数学方法：牛顿从变变速运动的的物理模型型中抽象出出微积分的的概念。而而德国的莱莱布尼兹则则是从对曲曲线的切线线的几何学学研究中引引入的。从从此，微积积分便成了了解决变量量及其变化化等问题的的有力武器器，而物理理学问题也也就可以不不必依靠哲哲学方式去去解决
20、了。 力学的理论论基础基本概念念和定律：牛顿严格格定义了当当时人们常常常混淆的的几 个个基本力学学概念，例例如：物质质的量（质质量）、运运动的量（动动量）、惯惯性、外力力、向心力力等。其次次阐述了他他的三条定定律和六条条推论，六六条推论包包括了力的的平行四边边形法则、力力的合成与与分解、动动量守恒定定律、质心心运动定理理、相对性性原理等，在在后面的附附注中，还还描述了许许多正碰中中的恢复系系数及简单单机械的实实验。牛顿顿对弹性碰碰撞的物理理过程做了了生动具体体的描述，在在碰撞中两两球挤压，产产生瞬间变变形，而后后恢复原形形，球被弹弹射出去。他他得出结论论：两个质质量相同的的完全弹性性球，以相相
21、同的速度度相向运动动碰撞后，两两者都以相相同的速度度向相反方方向运动。这这样，就把把动力学和和静力学组组成了一个个完整体系系。原理理在后面面的三篇中中将定理和和定律应用用到许多问问题中，包包括地上的的力学和天天上的力学学。其中最最重要的问问题是提出出与论证了了万有引力力定律。【注】在原原理中，第第一条定义义就是：“物质的量量是物质的的度量，可可由其密度度和体积求求出。”在阐述这这一定义时时，牛顿又又说：“我在以后后不论在何何处提到物物体或质量量这一名称称，指的就就是这个量量。”也就是说说牛顿把“物质的量量”、“物体”和“质量”这三个词词当同义词词用。他也也把质量等等同与惯性性。18776年，马
22、马赫发表了了关于质质量的定义义一文，提提出了用力力和加速度度的负比值值定义质量量。18776年麦克克斯韦又提提出了利用用一个确定定的力先后后对两个物物体施加作作用时所获获得的加速速度比值作作为它们质质量反比。即即当外力相相同时，有有： 即：质质量大的物物体加速度度小，惯性性大，因此此可以说质质量是物体体惯性大小小的量度。这这样定义出出来的质量量就叫做惯惯性质量。2、万有引引力定律：引力的思想想来源于哥哥白尼，哥哥白尼认为为物质有一一种聚集为为球体的趋趋向。吉尔尔伯特把磁磁力说扩大大到太阳系系，认为地地球是块大大磁铁，这这种说法启启发了开普普勒，他认认为太阳可可能发出一一种类似磁磁力的引力力流。
23、伽利利略却认为为引力与物物体轻重无无关，他认认为天体的的匀速圆周周运动是惯惯性的天然然表现，不不需力来维维持。笛卡卡儿认为天天体的运动动来源于惯惯性和以太太旋涡对天天体的压力力（成为当当时英国法法国教科书书中的正统统观点，但但缺乏科学学的论证）。11661年年胡克作了了一些实验验，16664年，胡胡克认为彗彗星轨道在在靠近太阳阳时弯曲，说说明太阳有有吸引力。11679年年胡克、哈哈雷都按照照圆轨道由由开普勒第第三定律推推出向心力力与距离平平方成反比比，但这种种平方反比比为什么会会形成椭圆圆轨道以及及椭圆轨道道怎么证明明向心力与与距离的平平方反比关关系，大家家束手无策策。至此，尽管管经过前人人的
24、努力，万万有引力定定律的思想想准备已经经基本成熟熟，但在数数学上还存存在困难。牛牛顿对引力力问题，自自己只承认认有两点成成就，第一一是观念上上的。他肯肯定了地球球上的重力力和天体间间的引力的的同一性。打打破了亚里里士多德“月上”和“月下”两个世界界的划分，尽尽管地面附附近的落体体运动与月月亮的旋转转在形式上上完全不同同，牛顿却却独具慧眼眼，看出它它们之间起起作用的都都是同一性性质的力。关关于苹果圆圆中的故事事只有象征征性的意义义，这个故故事说明牛牛顿经常沉沉思的一个个关键问题题是要探索索天上（月月亮）和地地上（苹果果）的力之之间本质是是否相同。第第二，牛顿顿用数学方方法表示出出万有引力力。在涉
25、及及力、距离离、轨道的的具体计算算中，曾遭遭遇了变量量和积分计计算等困难难，主要困困难有三：（1）如如何用平方方反比律证证明行星运运动是椭圆圆运动，这这需要积分分；（2）能能否把月球球和地球质质量看成集集中于球心心，这需要要积分；（33）要有精精确的地球球半径，地地月距离等等数据以进进行验算）。由由于牛顿创创造了新颖颖的数学工工具，加上上他对数据据一丝不苟苟的严格态态度，他终终于克服了了困难。他他从16666年开始始研究这一一定律，到到16877年最后发发表最后发发表，共221年。事事实上，在在16855年以前牛牛顿自己还还一直怀疑疑这一结论论。理论的作用用不仅要解解释已有的的现象，而而且要能
26、预预测未来的的事件。事事实上，万万有引力理理论，使得得人们只凭凭少数观测测资料，就就能算出天天体运行的的长周期轨轨道，免去去了过去冗冗长的计算算，而且十十分精确可可靠，从而而解释了今今后几百年年内极多的的地面现象象与天体现现象，例如如：哈雷彗彗星、地球球的扇形，后后来人们预预测了海王王星、冥王王星等等，直直到今天，万万有引力仍仍是最精密密可靠的基基本定律之之一，她是是天体力学学和宇宙航航行计算的的基础。在牛顿以前前，无论是是东方还是是西方，天天与地的区区分是根深深蒂固的。没没有任何一一项成果能能说明天上上运动与地地上运动服服从相同的的规律。牛牛顿的引力力定律体现现了天上运运动与地上上运动的统统
27、一性，它它把开普勒勒的行星运运动和伽利利略的抛体体运动统一一了。从而而把天体运运动纳入到到根据地面面的实验得得出的力学学原理中。这这是物理史史上第一次次伟大的综综合。牛顿代表了了人类在认认识机械运运动基本规规律方面的的巨大飞跃跃，从而奠奠定了经典典力学的基基础。但是是，牛顿力力学相信绝绝对时空观观，这是它它的局限。另另外当时的的自然科学学家还不能能仅靠一条条万有引力力定律去说说明行星轨轨道的切线线速度一开开始是从哪哪里获得的的，牛顿在在16922年写给牧牧师的信中中写道：“没有神力力之助，我我不知道自自然界还有有什么力量量竟能促成成这种横向向运动”。牛顿把把一切未知知的神奇归归功于上帝帝，为此
28、花花了后半生生的心血写写出了1550万的神神学著作。四、液体和和气体：1、帕斯卡卡：在讲到液体体和气体力力学的时候候，我们从从帕斯卡关关于液体压压强的研究究开始。帕帕斯卡出生生在法国，是是一位数学学家和物理理学家。他他于16553年写了了一篇文章章叫论液液体的平衡衡，在文文章中，他他阐明了著著名的帕斯斯卡定律，即即施加给液液体的压强强不减弱地地穿透到各各个方向，并并以相同的的压强作用用在和力成成直角方向向的所有相相等的表面面上。他用用实验方法法证明了，依依靠液体重重力得到的的正对表面面的压强仅仅仅决定于于液体的深深度。2、厌恶真真空：除了望远镜镜外，在117世纪科科学也发现现了气压计计和空气泵
29、泵。在物理理史上，许许多哲学家家，物理学学家都曾经经说过，真真空不存在在。亚里士士多德，笛笛卡儿都讲讲过自然界界厌恶真空空。由于这这种厌恶，据据说自然界界以容纳附附近的任何何东西并立立刻以这种种东西填满满任何被弄弄空了的空空间来阻止止真空的形形成。甚至至伽利略也也不能使自自己完全摆摆脱这种学学说。伽利利略知道：（1）空空气有质量量（他以平平常压力下下的空气和和高压下的的空气注满满玻璃容器器后的重量量差使自己己相信空气气有质量）；（2）“对真空的的阻力”是以水柱柱的高度来来量度的。但但是，他没没有把两个个观点统一一起来，把把空气看作作是可以施施加压力的的流体，这这个工作尚尚待他的学学生托里拆拆利
30、来完成成。3、托里拆拆利实验：托里拆利在在耶稣会学学校开始他他的数学研研究，并在在罗马的卡卡斯特里知知道下继续续研究。他他精通伽利利略的著作作，并发表表了一些力力学文章。伽伽利略渴望望认识这些些论文的作作者，并邀邀请托里拆拆利和他合合作。据说说，他们的的交往和谈谈话给晚年年的伽利略略以极大的的安慰。三三个月后，伽伽利略逝世世。伽利略略的保护人人托斯卡纳纳大公爵让让托里拆利利以学院数数学教授的的名义作为为伽利略的的继承人。1640年年，意大利利北部一名名大公爵家家中的花园园建造了一一座结构十十分精美的的喷水池。为为了供喷水水，挖了一一口十多米米深的井，装装上了强有有力的抽水水唧筒，但但是一滴水水
31、也抽不上上来。于是是，大公爵爵就派人去去请教当代代最有名的的科学家伽伽利略。这这时伽利略略已是766岁高龄，又又双目失明明，病卧在在床。当他他听到这种种情况，也也感到十分分惊讶。但但他认为，自自然界厌恶恶真空可能能是一种力力，这种力力是可以测测量的。他他说，井太太深了，抽抽水唧筒内内水柱受它它自身重量量压缩，所所以还没有有到井口就就被压了下下去。人们们听了似懂懂非懂。可可是，这时时的伽利略略已经没有有时间和精精力来解决决这个问题题了。他的的学生托里里拆利继续续研究这个个问题。他他认为当水水沿抽水唧唧筒上升时时，不是什什么管子这这头“厌恶真空空”造成的，而而是管子那那头井水水水面上的大大气压力使
32、使水沿管子子上升。抽抽水唧筒只只能把水抽抽到十米高高，那是因因为大气没没有重到可可以把水压压到十米以以上的缘故故。他又想想，用水做做实验管子子得十多米米长，太不不方便了，于于是改变用用水银做实实验。托里里拆利设计计了以垂直直的水银柱柱测定真空空阻力的方方案。他预预料水银的的长度约相相当于水柱柱的。托里里拆利实验验在16443年由伽伽利略的学学生维维安安尼进行。他他的实验的的具体做法法是，把一一根约1222厘米长长的玻璃管管一端封闭闭，从开口口一端慢慢慢地装满水水银，再用用手指按住住这开口的的一端，把把装满水银银的玻璃管管倒转过来来，然后，将将开口端插插入一个盛盛水银的盆盆中。当放放开手指后后，
33、玻璃管管中的水银银不断下降降，直至高高出盆里水水银面299英寸（约约737毫毫米）为止止。这个著著名的实验验使他们知知道如何获获得真空，证证明了大气气压力的存存在，也很很容易的解解释了抽水水唧筒的抽抽水高度。这这个实验装装置可以认认为是世界界上第一个个压强计。但但是，托里里拆利从未未发表过一一篇关于他他的这项研研究的说明明。事实上上，他那时时一直在钻钻研摆线的的数学问题题。几年后后他去世了了，可是，他他却在16644年给给他朋友的的信中，描描述了他的的实验。使使得关于托托里拆利实实验的新闻闻在法国学学者中引起起了大轰动动。后来传到帕帕斯卡那里里，他又重重新做了思思考，并得得出结论说说：“真空在
34、自自然界中不不是不可能能的，自然然界不是像像许多人想想象的那样样以如此巨巨大的厌恶恶来避开真真空。”帕斯卡还还推论，如如果水银柱柱是单纯的的被空气压压力提起的的话，那么么水银柱在在海拔较高高的地方应应该更短。他他在巴黎的的教堂尖顶顶做了实验验，甚至让让别人在多多姆山做一一次实验。实实验的结果果，是水银银柱高度有有三英寸之之差，“这使我们们以赞赏和和惊奇的心心情而狂喜喜”。帕斯卡卡又重复了了托里拆利利的实验，用用的是红葡葡萄酒和一一根46英英尺长的玻玻璃管。一一个注有一一半空气的的气球，当当把它拿到到山顶时，发发现它膨胀胀了，而在在下山时，他他又慢慢地地恢复了原原样。4、盖里克克关于空气气压力的
35、实实验：由于在意大大利和法国国的实验研研究，“厌恶真空空”的学说已已被推翻。在在德国发生生了重复的的过程。德德国研究者者的早期工工作是独立立进行的。盖盖里克产生生在马德堡堡的名门望望族，他在在很多大学学学习过，以以后又在英英国和法国国旅行。11646年年，他当上上马德堡市市的市长。关关于真空的的问题的争争论引起了了他寻求实实验事实的的好奇心，他他做了一系系列的实验验，在16663年他他完成了他他的著作论论真空的的手稿，九九年后出版版。在他的著作作中有大量量的插图，说说明了他所所从事的实实验：盖里克起初初用一个密密封的装满满水的葡萄萄酒桶，试试着用泵把把水抽到下下面的桶里里。三个大大汉拉动泵泵的
36、活塞，终终于成功地地把水抽出出。随即听听到一些噪噪音，似乎乎桶内剩下下的水在剧剧烈地沸腾腾。这种情情况，一直直持续到从从桶缝钻进进空气取代代被抽出来来的水时为为止。后来来，盖里克克以铜制的的球形容器器作为实验验对象代替替了木桶，用用活塞将球球里面的水水和空气抽抽出来。开开始时，活活塞很容易易被移动，而而以后要有有两个人的的力气才能能勉强拉动动活塞，当当“突然出现现大霹雳声声使大家都都感到惊吓吓”时，铜球球塌瘪了。后后来，一个个更大的和和更严实的的球形金属属容器被安安装固定并并被抽成真真空。“打开活塞塞时，空气气以这样大大的力挤进进铜球内，恰恰似它要把把附近的一一个人拉到到铜球里一一样。虽然然你
37、在一段段相当的距距离内捂住住你的脸，但但你的呼气气被吸走了了。的确，当当你用手抓抓住活塞时时不能不冒冒着被猛然然拉下的危危险。”盖里克发发明了抽气气泵。人们们利用抽气气泵很容易易获得真空空，做了许许多实验。人人们听不到到放在真空空中的钟声声；在里面面的火焰熄熄灭了；在在里面的鸟鸟张大嘴拼拼命呼吸，而而最后死去去；鱼也死死在里面；葡萄在真真空中能保保存6个月月。盖里克克拿来长管管，一端和和抽空的玻玻璃球相连连，另一头头浸在水面面水下，就就是盖里克克气压计。他他以空气的的压力来解解释管子里里水的上升升。他观察察到水柱高高度的起伏伏，并用这这个仪器作作天气预测测。一个浮浮在水面的的小木头人人在管子里
38、里上下运动动，并以他他的手指指指出了各个个时刻的空空气压力。盖盖里克还设设计了空气气有质量的的实验。他他的“马德堡半半球”实验也是是真实的。他他做了一对对直径约为为1.2英尺的的半球，并并于16554年在葛葛底斯堡表表演给迪南南三世皇帝帝看。根据据他的计算算，要克服服大气压力力把这两个个合在一起起的半球，需需要118845牛的的力，他用用了16匹匹马才把它它拉开，每每个半球八八匹马。后后来，盖里里克第一次次听到托里里拆利早在在11年前前做了这些些实验。5、波义耳耳的生平（气气体实验定定律的发现现）：波义耳出生生在爱尔兰兰。他是一一个多产的的作家。他他相信宗教教，因此许许多作品都都是关于神神学的
39、。11638年年他到了欧欧洲。16645年伦伦敦的哲学学会议后，他他得到了对对科学研究究的巨大动动力。16654年波波义耳在牛牛津任职，建建立了一个个实验室，并并且聘请胡胡克作为他他的化学助助手。16659年，他他读了盖里里克的空气气泵的报道道。以后，他他让胡克做做了一个精精致的气泵泵。16660年，波波义耳发表表他的新新实验一一书。他出出版这本书书后，荷兰兰的一位教教授宣称：空气要做做到和299英寸的水水银柱相平平衡的这种种大事，是是非常不能能够的；他他声称，他他发现了水水银被不可可见的纤维维吊在管子子的上端，并并当他用他他的手指按按紧管子的的上端时就就感到有这这种线。这这个批评促促使波义耳
40、耳重新做了了研究。如如果没有这这个荒谬的的批评，波波义耳或许许永远也不不会发现以以他的名字字命名的定定律。他这样描述述他的实验验，我们取取一根长的的玻璃管，用用灵巧的手手和灯火把把它的下端端弯过来，使使其弯向向向上的部分分几乎和管管子的其余余部分相平平行，并且且使较短的的一段玻璃璃管上的口口密封，用用刻有若干干英寸分格格的纸条顺顺着管仔细细地帖满。然然后，注入入管子的弯弯曲部分适适当的水银银，以便水水银在管子子两端达到到相同的高高度，接着着，我们开开始把水银银灌进管子子的较长的的一端，直直到管子较较短一端里里的空气受受到压缩后后减小到它它所占据空空间的一半半时，最后后，我们高高兴和满意意地看到
41、，玻玻璃管较长长部分的水水银比另一一部分高出出29英寸寸。“后来，波波义耳用其其他管子重重做实验，并并且每一次次都把观察察值跟“按照设想想，压力和和膨胀成反反比的假设设”所应有的的那些值做做比较。观观察值和理理论值符合合得相当好好16666年，波义义耳发表了了“流体力学学佯谬”，流体压压力的正确确观念正在在形成。在波义耳发发表他的定定律以后114年，“波义耳定定律”又被杰出出的法国物物理学家马马略特独立立发现。在在法国，人人们称之为为“马略特定定律”。我们现现在称之为为“波义耳马略特定定律”，它的内内容为：一一定质量的的气体，当当温度不变变时，它的的压强和体体积成反比比。在法国，实实验物理学学
42、的复兴归归功于马略略特。正如如波义耳是是伦敦皇家家学会的杰杰出组织者者一样。马马略特是在在16666年建立的的法国科学学院的第一一批起领导导作用的成成员之一。法国科学家家查理从事事气体研究究和气球的的设计工作作，他因为为在这个领领域中所作作的改进和和作为一位位勇敢的空空中飞行员员而十分出出名。17783年，他他首先使用用装有氢气气的气球，使使它升上高高空。17785年，他他通过实验验研究发现现了查理定定律。这个个定律现在在被表述为为：一定质质量的气体体，在体积积不变时，它它的压强和和绝对温度度成正比。另另一位法国国科学家盖盖吕萨克通通过实验研研究，于11802年年发现了以以他名字命命名的定律律
43、：一定质质量的气体体，在压强强保持不变变时，它的的体积和绝绝对温度成成正比。4.2 光学一、折射定定律：折射定律是是莱顿的力力学教授斯斯涅耳发现现的。他从从未公布他他的发现，但但是惠更斯斯等人声称称曾审查过过斯涅耳的的手稿。他他以下面的的形式描述述了折射定定律：在相相同的介质质里，入射射角和折射射角的余割割之比总是是保有相同同的值。斯斯涅耳没有有作这个定定律的理论论推导，但但是他用实实验验证了了它。我们们现代书本本中看到的的正弦定律律，是笛卡卡儿16337年的屈屈光学一一书中作出出的。有人人认为这是是笛卡儿独独立发现的的，因为在在笛卡儿的的书中没有有提到斯涅涅耳。笛卡卡儿没有做做实验，但但他从
44、如下下的假定从从理论上推推导了这个个定律：（11）光速在在较密的介介质中较大大（错）；（2）在在相同的介介质里，这这些速度对对各种入射射角都有相相同的比率率；（3）在在折射时，平平行于折射射面的速度度分量保持持不变（错错）。这些些假定不大大可能是正正确的，这这引起了数数学家费马马和其他人人着手去证证明。费马马去世前没没有发表著著作，但在在他去世后后九年，由由他的女儿儿发表了以以他的名字字命名的费费马原理，即即：光线在在空间两点点传播，其其路径的光光程必取极极小、极大大或者常量量。根据费费马原理可可以简捷地地说明光在在均匀媒质质中沿直线线传播，解解释光路的的可逆性，导导出光的折折射定律。可可以说
45、费马马定律是光光在媒质中中传播路径径的普遍规规律。折射射定律的确确立和费马马原理的提提出，为解解决光学系系统的定量量计算提供供了理论依依据，为几几何光学的的发展奠定定了理论基基础。二、光速：17世纪的的一个伟大大成就就是是光的逐渐渐传播的发发现。以前通常假假定光的速速度是无限限的。开普普勒和笛卡卡儿持有光光速无限的的观点。伽伽利略却认认为光即使使传播很快快，但还是是需要时间间。伽利略略首先尝试试测量光速速。他提出出两个人从从两座相距距一英里的的山头上用用闪光灯作作信号来测测定光速的的设想。他他确定了AA点，用灯灯光把信号号传到B并并收到从BB回来的信信号所需要要的时间。如如果能发觉觉有时间差差
46、，那么，光光就是以有有限速度传传播的。伽伽利略无法法从这个实实验上解决决问题。约30年后后，一个年年轻的丹麦麦人勒麦，观观察到木星星的卫星在在它们的轨轨道上运转转的时间在在一年的各各个时期不不都是相同同的，勒麦麦相信观察察到的不规规则性必定定阐明了光光速是有限限的这一事事实。通过过观察木星星的卫星蚀蚀出现的时时间差可以以测得光速速。现代用用勒麦法测测得的光速速值为。在在16766年9月，勒勒麦向法国国科学院报报告，发生生在11月月份的下一一次第一个个卫星食的的时间要比比根据8月月份的观察察进行计算算所得到的的时间迟110分钟左左右，这个个矛盾可以以用假定光光从木星到到地球需要要时间而得得到解释
47、。他他讲到光穿穿过地球的的轨道需要要22分钟钟（精确值值为16分分36秒）。当当时他的理理论没有得得到接受。勒勒麦的理论论在英国得得到了哈雷雷的支持。并并被英国天天文学家布布拉得雷所所证实。布布拉得雷是是牛津的天天文学教授授。当他努努力于测量量星体的视视差时，他他发现它的的位移不象象他所预料料的那样。后后来，他猜猜想到，光光的前进的的传播跟地地球在它的的轨道上的的前进相结结合时，光光的前进传传播肯定产产生每年一一度的变化化，天体的的变化在这这种方向上上是通过依依赖于这二二者的速度度之比而被被看见的。布布拉得雷估估计太阳光光达到地球球的时间是是8分133秒。这样样一来，布布拉得雷证证实了勒麦麦的
48、理论，光光的渐进传传播开始作作为一个已已确立的事事实被接受受。光速的的实验室测测定方法直直到18449年由法法国科学家家菲索用旋旋转齿轮法法实现。布布拉得雷发发现以牛顿顿的光的微微粒说很容容易解释光光行差。光光粒子像垂垂直下落的的雨滴那样样行动，当当我们向前前跑时，似似乎雨滴是是迎面而来来的。当望望远镜本身身被地球的的运动带着着向前时，光光的微粒就就落进了向向前倾斜的的望远镜筒筒里。三、惠更斯斯的波动说说：笛卡儿在细细读了惠更更斯的最早早的一些数数学定理后后，便预言言他的前途途伟大。1678年年，法国科科学院的一一次会议上上，惠更斯斯提出了一一篇关于光光的理论的的论文论论光，这这篇论文是是在解
49、释光光的波动理理论方面的的最早的重重要尝试。惠惠更斯提出出了以他的的名字命名名的关于波波的传播的的重要原理理。他把振振动介质中中的每一个个质点都看看成一个中中心，在它它的周围形形成一个波波。所有这这些微弱的的子波都是是球面波。他他用波动论论解释了光光的反射和和折射，在在成功地推推导折射定定律过程中中，给出的的折射定律律的形式为为与费马导导出的结果果一致。而而与用微粒粒说导出的的结果相反反。惠更斯斯还给出了了画平常光光线和非常常光线路径径的方法。并并观察到这这些光线是是偏振的。由由于他假定定了光在以以太中的振振动是纵向向的。如同同声音一样样，因此，他他无法解释释奇怪的偏偏振现象。他他也不能解解释颜色的的起源。也也就是说他他的光波理理论还不完完全，但是是他在他的的