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1、第二章第二章 西方古代物理学西方古代物理学 公公元元前前8 8世世纪纪在在欧欧洲洲诞诞生生了了光光芒芒四四射射的的古古希希腊腊文文明明。随随着着罗罗马马帝帝国国的的灭灭亡亡，宗宗教教的的残残酷酷统统治治，公公元元5-105-10世世纪纪欧欧洲洲进进入入黑黑暗暗的的中中世世纪纪，科科学学、文文化化受受到到极极大大摧摧残残。从从1111世世纪纪起起，随随着着“十十字字军军东东征征”，文文艺艺复复兴兴运运动动开开始，欧洲的科学文化开始复苏，近代科学逐步孕育。始，欧洲的科学文化开始复苏，近代科学逐步孕育。一一.古希腊的自然观古希腊的自然观 欧欧洲洲文文明明源源自自古古希希腊腊，从从公公元元前前8 8世
2、世纪纪到到公公元元4 4世世纪纪，史史称称“古古希希腊腊时时期期”。这这个个时时期期，古古希希腊腊学学派派林林立立、智智者者云云集集，包包括括科学在内的希腊文化达到了奴隶社会的颠峰。科学在内的希腊文化达到了奴隶社会的颠峰。（一）世界万物本原（一）世界万物本原1朴素元素论朴素元素论 米米利利都都学学派派创创始始人人泰泰勒勒斯斯（约约前前624-624-前前547547）认认为为万万物物本本原原是水，万物生于水又复归于水。是水，万物生于水又复归于水。其学生阿那克西曼德（约前其学生阿那克西曼德（约前610-610-前前546546）提出一种）提出一种“无限者无限者”（或（或“无定无定”、“不固定者不
3、固定者”）作为万物本原。）作为万物本原。后后者者的的学学生生阿阿那那克克西西米米尼尼（约约前前585-585-前前525525）则则以以实实实实在在在在的的“气气”作为万物本原。作为万物本原。之之后后的的赫赫拉拉克克利利特特（约约前前540-540-前前475475）又又把把富富于于变变化化的的“火火”作为万物本原。作为万物本原。也也有有学学者者认认为为万万物物的的本本原原是是多多种种元元素素。恩恩培培多多克克勒勒（约约前前490-490-前前430430）提提出出了了“四四根根说说”，即即土土、水水、气气、火火四四种种元元素素。这这四四种种本本原原以以“爱爱”和和“恨恨”相相吸吸或或排排斥斥
4、而而结结合合成成万万物物，万万物物的变化就是这四种元素的分离与重新组合。的变化就是这四种元素的分离与重新组合。古古希希腊腊的的元元素素论论到到了了亚亚里里士士多多德德（约约前前384-384-前前332332）才才算算有有了了定定论论。他他认认为为地地上上万万物物由由轻轻重重不不同同的的土土、水水、气气、火火四四种种元元素素组组成成，天天体体由由神神圣圣纯纯洁洁的的以以太太组组成成。他他提提出出元元素素由由冷冷、热热、干、湿四种基质结合而成。四种元素不同的结合构成世界万物。干、湿四种基质结合而成。四种元素不同的结合构成世界万物。亚里士多德对空气、水、亚里士多德对空气、水、土、火四种元素的定义土
5、、火四种元素的定义2 2 古代原子论古代原子论 原原子子论论的的创创始始人人是是米米利利都都学学派派的的留留基基伯伯（约约前前500-500-前前440440）和和他他的的学学生生德德谟谟克克利利特特（约约前前460-460-前前370370），一一百百年年后后，伊伊壁壁鸠鲁（约前鸠鲁（约前342-342-前前270270）发展了原子论的思想。）发展了原子论的思想。3 3 毕达哥拉斯学派毕达哥拉斯学派“数的和谐数的和谐”公公元元前前6 6世世纪纪至至公公元元前前5 5世世纪纪，毕毕达达哥哥拉拉斯斯（约约前前584-584-前前497497）创创建建了了古古希希腊腊哲哲学学中中很很独独特特的的一
6、一个个学学派派，这这是是一一个个研研究究数学与宗教的秘密结社，公元前数学与宗教的秘密结社，公元前5 5世纪分裂为科学派和宗教派。世纪分裂为科学派和宗教派。毕毕达达哥哥拉拉斯斯学学派派反反对对物物质质元元素素是是万万物物本本原原的的观观点点，认认为为数数是是独独立立于于物物之之外外的的实实质质，数数是是万万物物本本原原，“万万物物皆皆数数”，“数数支支配配着着世界世界”，“万物的本原是一万物的本原是一”。他他们们认认为为1 1是是同同一一，是是普普遍遍的的由由1 1可可以以产产生生2 2，产产生生出出各各种种数数；2 2是是意意见见，是是1 1的的对对立立物物；3 3是是实实在在与与圆圆满满，所
7、所有有的的一一切切都都由由3 3决决定定；4 4是是主主义义；1010是是灵灵魂魂与与理理性性，10=1+2+3+410=1+2+3+4，包包括括了了数数的的全全部部本本性性。由由数数可可以以产产生生几几何何上上的的点点、线线、面面、体体，有有了了体体才才可可以以火火、气气、水水、土土元元素素，从从而而产产生生万万物物,数数在在物物之之先先，数数是是事事物物的的终极原因。终极原因。（二）对宇宙的认识（二）对宇宙的认识1 1 米利都学派米利都学派的泰勒斯认为地象一个圆盘或圆桶浮在水上。的泰勒斯认为地象一个圆盘或圆桶浮在水上。2 毕毕达达哥哥拉拉斯斯学学派派企企图图用用“数数的的和和谐谐”来来建建
8、立立关关于于宇宇宙宙的的理理论论。他他们们认认为为球球体体是是最最完完美美的的几几何何形形体体，所所以以他他们们断断言言，宇宇宙宙是是球球形形的的，当当中中是是中中心心火火团团，各各种种物物体体都都围围绕绕中中心心火火团团做做均均匀匀圆圆周周运运动动；恒恒星星紧紧系系在在天天的的最最高高圆圆顶顶，这这个个圆圆顶顶三三万万六六千千年年绕绕中中心心火火团团转转一一周周，下下面面是是同同心心运运动动的的球球体体（水水、金金、火火、木木、土土星星、太阳、月亮和地球）。太阳、月亮和地球）。3 3 柏柏拉拉图图学学派派 柏柏拉拉图图（前前427-427-前前347347）认认为为永永恒恒神神圣圣的的天天体
9、体必必须须沿沿着着完完美美的的圆圆形形轨轨道道作作均均匀匀有有序序的的运运动动，或或者者是是沿沿着着复复合合的的圆圆周周运运动动。他他的的学学生生欧欧多多克克索索和和亚亚里里士士多多德德提提出出了了同同心心球球层层模型：太阳、月亮和行星都在以地球为中心的同心球壳中运动。模型：太阳、月亮和行星都在以地球为中心的同心球壳中运动。4 4 地地心心说说 古古希希腊腊后后期期的的阿阿波波罗罗尼尼（约约公公元元前前247-205247-205）为为了了克克服服同同心心球球层层模模型型的的困困难难，提提出出了了“本本轮轮-均均轮轮”结结构构模模型型：行行星星沿沿着着本本轮轮做做圆圆周周运运动动，本本轮轮的的
10、中中心心有有在在一一地地球球为为中中心心的的均均匀匀轮上做圆周运动。轮上做圆周运动。5 5 太太阳阳中中心心说说 阿阿里里斯斯塔塔克克（约约前前310-310-前前230230）提提出出了了与与众众不不同同的的见见解解，认认为为地地球球不不是是宇宇宙宙的的中中心心，太太阳阳才才是是宇宇宙宙的的中中心心地地球和行星都围绕太阳作圆周运动，恒星在远处，是不动的。球和行星都围绕太阳作圆周运动，恒星在远处，是不动的。二二.古希腊的物理知识古希腊的物理知识古希腊物理知识比较集中在力学和光学两个方面。古希腊物理知识比较集中在力学和光学两个方面。（一）力学知识（一）力学知识代表人物：亚里士多德和阿基米德代表人
11、物：亚里士多德和阿基米德 亚里士多德亚里士多德（公元前（公元前384前前322年）年）研究了在重力作用下物研究了在重力作用下物体的运动，论证了运动、时间和空间的关系，区分了物质方面体的运动，论证了运动、时间和空间的关系，区分了物质方面的运动、量方面的运动和空间方面的运动。的运动、量方面的运动和空间方面的运动。关关于于时时间间，亚亚里里士士多多德德把把时时间间看看作作是是描描述述运运动动的的数数。他他认认为为时时间间不不同同于于运运动动，但但时时间间也也不不能能脱脱离离运运动动。关关于于物物体体的的运运动动，亚亚里里士士多多德德认认为为变变化化就就是是运运动动。这这里里的的变变化化包包括括物物体
12、体的的性性质质变变化化、物物体体的的位位置置移移动动、事事物物的的产产生生和和消消灭灭、数数量量的的增增减减其其中中位位置置移移动动就就相相当当于于机机械械运运动动。他他指指出出，要要谈谈运运动动就就必必须须指指明明“什什么么”在在运运动动，“在在哪哪里里”运运动动和和“何何时时”运运动动，显显然然这这里里已已指指明明了了物物体体运动和时间、空间的不可分割性。运动和时间、空间的不可分割性。亚亚里里士士多多德德（公公元元前前384384前前322322年年）是是古古希希腊腊最最伟伟大大的的科科学学家家之之一一。他他1717岁岁时时就就跟跟大大哲哲学学家家柏柏拉拉图图学学习习。亚亚里里士士多多德德
13、爱爱独独立立思思考考。因因此此，他他有有许许多多观观点点跟跟他他的的老老师师截截然然相相反反。亚亚里里士士多多德德当当过过教教师师，对对植植物物、动动物物、天天文文、气气候候、数数学学和和物物理理等等方方面面都都进进行行过过研研究究，著著书书10001000多多种种，可可以以说说他他是是古古希希腊腊各各种种知知识识集集大大成成者者。他他的的这这些些著著作作被被当当作作古古代代世世界界的的百百科科全全书书。达达尔尔文文曾曾这这样样评评价价亚亚里里士士多多德德：我我尊尊敬敬林林奈奈和和屈屈费费尔尔好好像像两两位位神神一一样样。但但是是，他他们们比比起起亚亚里里士士多多德德来来，却却不不过过是是小小
14、学生。学生。阿阿基基米米德德（公公元元前前287287前前212212年年）生生于于意意大大利利的的斜斜拉拉古古，他他父父亲亲是是天天文文学学家家和和数数学学家家。他他从从小小受受到到父父亲亲的的熏熏陶陶而而热热爱爱数数学学。1111岁岁时时他他到到埃埃及及的的亚亚历历山山大大学学习习。在在那那里里他他接接受受了了东东方方和和古古希希腊腊的的优优秀秀的的文文化化教教育育，为为他后来事业上取得成就打下了基础。他后来事业上取得成就打下了基础。阿阿基基米米德德擅擅长长对对物物理理问问题题进进行行数数学学处处理理。他他详详细细研研究究了了物物体体在在液液体体中中所所受受浮浮力力跟跟浸浸入入液液体体中中
15、物物体体体体积积之之间间的的关关系系，得得出出了了著著名名的的浮浮力力定定理理，传传说说据据此此他他揭揭开开了了金金王王冠冠之之谜谜。他他详详细细地地研研究究了了杠杠杆杆的的平平衡衡问问题题，找找出出了了杠杠杆杆的的平平衡衡条条件件。他他曾曾豪豪迈迈地地提提出出：只只要要给给我我一一个个支支点点，我我就就可可以以把把整整个个地地球球举举起起。阿阿基基米米德叙述杠杆平衡的学说，奠定了静力学的基础。德叙述杠杆平衡的学说，奠定了静力学的基础。（二）光学知识（二）光学知识 古古希希腊腊对对光光的的反反射射的的研研究究贡贡献献最最大大的的是是欧欧几几里里德德（约约前前330-330-前前275275）和
16、和希希隆隆。欧欧几几里里德德把把几几何何学学运运用用到到光光现现象象的的研研究究上上，开开创创了了几几何何光光学学。他他著著有有反反射射光光学学，确确立立了了光光的的直直进进性性并并建建立立了了反反射射定定律律，确确定定了了凹凹面面镜镜的的聚聚焦焦点点在在球球心心或或球球心心与与球球面面之之间间。之之后后的的希希隆隆（约约前前150-150-前前100100）也也著著有有反反射射光光学学一一书，内容是关于镜子的理论和实际应用。书，内容是关于镜子的理论和实际应用。相相传传古古希希腊腊的的阿阿基基米米德德，曾曾令令他他的的士士兵兵共共同同用用镜镜子子把把太太阳阳光光反射到进攻他们的同一只敌船上，把
17、敌船烧毁。反射到进攻他们的同一只敌船上，把敌船烧毁。托托勒勒密密在在对对天天体体的的观观测测中中曾曾注注意意到到光光的的折折射射现现象象。他他著著有有光学一书，但早已佚失。光学一书，但早已佚失。（三）其他物理知识（三）其他物理知识古希腊对磁和声也有一定研究。古希腊对磁和声也有一定研究。柏柏拉拉图图在在中中，亚亚里里士士多多德德的的学学生生泰泰奥奥弗弗拉拉斯斯托托斯斯在在论论石石中中都都指指出出磁磁石石和和琥琥珀珀吸吸引引它它物物的的能能力力。卢卢克克莱莱修修在在物物性性论论中中曾曾用用原原子子论论来来解解释释磁磁石石吸吸铁铁现现象象，而而且且他他第第一一个个记述了磁力相吸现象。记述了磁力相吸现
18、象。古古希希腊腊人人在在乐乐器器的的制制造造中中积积累累了了一一些些声声学学知知识识，毕毕达达哥哥拉拉斯斯学学派派还还最最早早创创立立了了“五五度度相相生生律律”。亚亚里里士士多多德德认认为为声声音音的的传传播播需需要要有有介介质质，空空气气和和水水都都可可以以传传播播声声音音。他他还还认认识识到到回回声声是是声声的的反反射射。古古罗罗马马的的建建筑筑师师重重视视剧剧场场建建筑筑的的声声学学问问题题，维维特特鲁鲁威的名著论建筑开创了建筑声学的研究。威的名著论建筑开创了建筑声学的研究。三三.中世纪的物理知识中世纪的物理知识 在在以以欧欧洲洲为为中中心心的的世世界界史史分分期期中中，公公元元5-1
19、55-15世世纪纪这这一一时时期期通通常被称为中世纪。中世纪还可分为：常被称为中世纪。中世纪还可分为：3 3 经经院院哲哲学学时时代代（公公元元11-1211-12世世纪纪）经经院院哲哲学学是是封封建建统统治治阶阶级级为为了了统统一一人人们们的的思思想想而而发发展展起起来来的的官官方方哲哲学学，因因为为它它产产生生在在教教会会的的学学院院里里而而得得名名。这这一一时时期期哲哲学学成成了了神神学学的的婢婢女女，自自然然科科学学失失去去了了自己的声音，自由的科学精神被彻底的禁锢起来了。自己的声音，自由的科学精神被彻底的禁锢起来了。1 1 黑黑暗暗时时代代（5-85-8世世纪纪）这这个个时时期期战战
20、争争频频繁繁、社社会会动动荡荡，古古希希腊腊学术终结。学术终结。2 2 阿阿拉拉伯伯文文化化时时代代（8-118-11世世纪纪）西西方方文文化化黑黑暗暗之之时时，东东方方中中国国的的智智慧慧之之光光照照亮亮世世界界。地地处处东东西西方方贸贸易易交交流流纽纽带带的的阿阿拉拉伯伯，成成为为沟通东西方科学文化的桥梁，为世界科学做出了特殊贡献。沟通东西方科学文化的桥梁，为世界科学做出了特殊贡献。（一）阿拉伯人的物理成就（一）阿拉伯人的物理成就 阿阿拉拉伯伯帝帝国国时时期期穆穆斯斯林林在在物物理理学学方方面面取取得得的的成成就就主主要要集集中中在在光学与力学方面。光学与力学方面。物物理理学学家家金金迪迪
21、（公公元元801801？-873-873年年，同同时时还还是是数数学学家家、天天文文学学家家、哲哲学学家家、化化学学家家和和音音乐乐理理论论家家），一一生生至至少少著著有有265265部部学学术术著著作作，但但是是传传世世的的只只有有1515部部拉拉丁丁文文译译本本。它它们们是是关关于于气气象象、比比重重、潮潮汐汐、（几几何何）光光学学，以以及及音音乐乐理理论论等等方方面面的的论论述述，许许多内容是与物理有关的。多内容是与物理有关的。塔塔比比特特（公公元元826-901826-901年年）写写了了一一部部研研究究杠杠杆杆的的力力学学著著作作杠杆的平衡，他在该书中成功地证明了杠杆的平衡原理。杠杆
22、的平衡，他在该书中成功地证明了杠杆的平衡原理。哈哈兹兹尼尼设设计计一一种种奇奇妙妙的的“智智慧慧秤秤”，这这种种称称在在没没有有砝砝码码的的情情况况下下也也能能测测量量物物质质的的重重量量和和比比重重。为为此此他他在在11371137年年还还写写了了一一本本书书智智慧慧秤秤的的故故事事。另另外外，哈哈兹兹尼尼对对比比重重的的研研究究卓卓有有成成效效。他他发发现现空空气气具具有有重重量量，使使得得阿阿基基米米德德的的浮浮力力定定律律在在空空气气中中也也能能适适用用。哈哈兹兹尼尼还还发发现现并并证证明明越越接接近近地地心心水水的的密密度度越越大大，他他知知道道物物体体在在不不同同高高度度测测量量重
23、重量量是是不不同同的的，进进而而提提出出了了一一种种重重要要的的物物理理学学思思想想物物质质的的（质质）量量不不同同于于重重量量，而而且且二二者者之之间间的的关关系是正比关系。系是正比关系。比比鲁鲁尼尼（公公元元973-1050973-1050年年）研研究究过过流流体体静静力力学学与与物物体体的的瞬瞬间间运运动动与与加加速速度度；他他不不仅仅发发现现光光的的传传播播速速度度快快于于声声音音，精精确确地地测测定定了了不不同同类类型型宝宝石石的的比比重重，并并且且为为所所有有已已知知的的复复合合物物与与物物质质元元素建立了比重表，还正确地解释了喷泉与自流井的成因素建立了比重表，还正确地解释了喷泉与
24、自流井的成因 在在光光学学研研究究中中，阿阿勒勒 哈哈增增（公公元元965-1040965-1040年年）不不仅仅说说明明了了光光在在同同一一物物质质中中是是沿沿直直线线传传播播的的，还还研研究究了了光光的的反反射射和和折折射射。他他在在实实验验中中不不但但研研究究平平面面镜镜、球球面面镜镜、柱柱面面镜镜和和抛抛物物面面镜镜，而而且且研研究究球球面面像像差差和和透透镜镜的的放放大大率率。大大气气折折射射也也是是他他研研究究的的范范畴畴。在在光光学学研研究究中中哈哈森森首首先先应应用用数数学学方方法法解解决决几几何何光光学学的的问问题题。他他关关于于球球面面像像差差、透透镜镜的的放放大大率率和和
25、大大气气折折射射方方面面的的发发现现通通过过开开普普勒等人的介绍，对欧洲科学的发展有很大的影响。勒等人的介绍，对欧洲科学的发展有很大的影响。哈哈增增的的另另一一项项重重要要贡贡献献是是对对视视觉觉原原理理的的阐阐释释。在在哈哈增增以以前前，人人们们一一直直坚坚信信古古希希腊腊学学者者柏柏拉拉图图（PlatoPlato，公公元元前前427427347347年年）和和欧欧几几里里德德提提出出的的“视视觉觉是是由由于于眼眼睛睛发发射射出出光光线线照照射射于于物物体体上上而而产产生生的的”这这一一错错误误观观念念，而而哈哈增增的的观观点点是是视视觉觉是是反反射射光光线射入眼球所致。线射入眼球所致。(二
26、二)欧洲的物理成就欧洲的物理成就1 1 罗吉尔罗吉尔 培根的物理成就培根的物理成就 英英国国人人罗罗吉吉尔尔 培培根根(约约1214-1294)1214-1294)是是1313世世纪纪杰杰出出的的科科学学家家,他他倡倡导导实实验验方方法法,重重视视对对数数学学的的研研究究,大大胆胆同同迷迷信信、反反动动教教会会作作不懈的斗争。他称得上是近代自然科学的先驱者。不懈的斗争。他称得上是近代自然科学的先驱者。他倡导用实验方法研究自然界他倡导用实验方法研究自然界 把数学的重要性提到原则的高度把数学的重要性提到原则的高度2 2 冲力说学派冲力说学派 冲冲力力说说的的代代表表早早期期的的代代表表人人物物是是
27、公公元元6 6世世纪纪亚亚历历山山大大里里亚亚的的斐斐劳劳波波诺诺斯斯。他他否否认认天天体体的的运运行行是是神神灵灵推推动动的的，而而是是上上帝帝在在初初始始创创造造时时赋赋予予天天体体的的一一种种“冲冲力力”，靠靠着着这这种种冲冲力力来来维维持持天天体体的的永永恒恒运运动动，这这种种冲冲力力是是永永恒恒的的。1414世世纪纪牛牛津津大大学学的的威威廉廉又又恢恢复复了了斐斐劳劳波波诺诺斯斯的的冲冲力力说说，并并进进而而提提出出，只只要要给给物物体体冲冲力力，物物体便能运动，直到把这个冲力消耗完毕运动才会停止。体便能运动，直到把这个冲力消耗完毕运动才会停止。冲冲力力说说在在巴巴黎黎也也得得到到了
28、了发发展展，巴巴黎黎的的冲冲力力派派认认为为冲冲力力的的大大小小与物体的密度、体积、速度成正比，这正是冲量的初步概念。与物体的密度、体积、速度成正比，这正是冲量的初步概念。总总的的来来说说，冲冲力力派派的的思思想想和和工工作作与与经经院院哲哲学学派派完完全全不不同同。冲冲力力派派的的出出现现表表明明亚亚里里士士多多德德的的力力学学即即将将崩崩溃溃，同同时时还还为为经经典典力力学的建立作了理论上和方法上的准备。学的建立作了理论上和方法上的准备。物物理理学学在在欧欧洲洲中中世世纪纪虽虽然然停停滞滞了了一一段段时时间间，但但是是对对亚亚里里士士多多德德力力学学的的重重新新思思考考和和新新研研究究方方法法的的孕孕育育，为为新新物物理理学学的的产产生生作作了了许许多多准准备备。“于于无无声声处处听听惊惊雷雷”，近近代代物物理理学学革革命命的的暴暴风风骤骤雨雨即将到来。即将到来。思考题：思考题：1.1.简述古希腊各学派对物质本原认识的主要观点简述古希腊各学派对物质本原认识的主要观点.2.2.简述亚里士多德的力学观点简述亚里士多德的力学观点.3.3.阿基米德对力学有哪些贡献阿基米德对力学有哪些贡献?