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1、第三章 近代自然科学的全面发展,从根本上说，产业革命开始了科学和大工业紧密结合的新时期，但这个新时期的特点，在产业革命百余年之后，即19世纪末期才显示出来。在19世纪末，科学和技术直接的关系表现为两种相反的情况，一种情况是生产问题的解决主要是依靠工匠的经验和手艺，生产并没有尖锐地感到只依靠经验知识已经不够，迫切需要利用利用自然科学的成果。所以往往是在科学理论上还没有搞清楚的情况下，技术上已经初步得到了实现。,另一方面的情况是，在科学理论上已经发现了一些带有规律性的东西，却没有在技术上很快实现出来。例如，麦克斯韦1865年就从电磁理论中预言电磁波的存在，但直到20世纪初才开始用于广播。,从19世
2、纪下半叶开始，各主要资本主义国家进入了产业革命时期，生产的发展，不仅为自然科学提供了新的事实材料和新的工具，而且使研究领域扩大了，为时除了力学外，物理学、化学、生物学、地质学等研究高级运动的科学相继发展起来。,以牛顿力学为代表的科学精神和方法的传播，导致了18世纪英国的工业革命、法国的政治革命和德国的哲学革命，从而形成了“技术机械化和人类理性化”的时代。科学进入19世纪后继续在征服蒙昧的过程中乘风破浪、扬帆远航。,近代自然科学的全面发展，不仅标志着科学的新进展，而且具有哲学、文化学的意义，为形而上学自然观打开了缺口，为唯物主义自然观形成丰富的自然科学材料。,天地演化的研究 物理学的进展 化学上
3、的成就 生物学的飞跃,天地演化的研究,康德拉普拉斯星云假说 威廉.赫歇耳大型望远镜 居维叶和布隆尼亚尔 地质学家赖尔,天地演化的研究,1755年德国哲学家康德提出了关于太阳系起源的星云假说。虽然这只是一种高度猜想性的假说，对于当时的天文学影响不大，但它本质上是给形而上学的自然观打开了第一个缺口。1796年法国的拉普拉斯出版了宇宙系统论，独立地提出了太阳系起源的星云假说。与康德相比更加完善，数学认证更加严密，因此星云假说受到了普遍关注，被称为康德拉普拉斯星云假说。,按照康德拉普拉斯星云假说，太阳及其行星都有一个历史的演化过程，它们是由原始弥漫物质星云逐渐凝聚而成的，不断收缩的星云的中心部分凝聚成
4、太阳，大体上在同一平面上的环状弥漫星云物质收缩凝聚成了行星。星云假说，尽管在科学上还有些问题，但是其演化发展的科学思想对于19世纪的科学产生巨大的影响。,恒星天文学之父,1781年，威廉.赫歇耳制造了许多大型望远镜。磨制出售的望远镜至少有76架。自用的反射望远镜最大口径1.2米，为当时世界之最；用此巨大的望远镜，发现了天王星。用自制望远镜作巡天观测时偶然发现了天王星，后又发现了天王星和土星各自的两颗卫星，为此荣获英国皇家学会科普利奖章，并被选为会员 。,地层学之父,地质学在18世纪开始成为一门独立的科学。18世纪中期到19世纪中期被称为地质学的英雄时代。英国的史密斯（W.smith,17691
5、839）常被誉为“地层学之父”，他的贡献可总结为下列四点。一是发现了老地层在下、新地层在上的地层序列（或称地层层序律），二是确定了化石鉴定法则，三是确定了英国中生界的序列，四是完成了英格兰和威尔士的地质图。,居维叶和布隆尼亚尔,几乎与史密期同时的是法国科学家居维叶和布隆尼亚尔在巴黎盆地的工作。他们都已明确地认识到，不同时代的地层中有不同的化石。居维叶（GCuvier，17691832）是位杰出的动物学家、古生物学家，是比较解剖学的创始人。,英国地质学家赖尔,英国地质学家赖尔（C.Lyell,17971875）深受法国博物学家拉马克的影响。在18301833年写出地质学原理一书，倡导“古今一致”
6、和“将古论今”的方法论原则，以丰富的资料说明了地球表面的演变。他提出地球缓慢进化的“渐变论”，驳斥了当时居维叶所主张的“灾变论”和他的继承者所宣传的神创说。他指出地壳的变化不是突如其来的灾难性的剧变，而是在漫长历史进程中由于内力（地震、火山）和外力（风、雨、温度变化等）的长期作用而势在必行发生的。,他的观点，人地质学方面有力地支持了康德学说中关于自然界生成的观点，也是打破形而上学自然观的重要科学根据。达尔文的物种起源发表后，赖尔热情地支持了进化论的观点。后来，他在1863年写成古代人类一书，书中就完全采纳了生物进化论的思想。,物理学的进展,能量守恒定律的发现和热力学 电磁现象的研究 光的波动说
7、的复兴,能量守恒定律的发现和热力学,19世纪40年代建立起来的能量守恒定律被认为是自牛顿力学以后科学发展的第二次大综合。 能量既不能创生又不会消失，只能从一种形式转化成另一种形式。,？第一次大综合,其中作出重大贡献的科学家有10多位： 迈尔：论自然界的力 焦耳：实验验证能量守恒+热功当量 赫姆霍磁：生理学角度+论活力守恒,热功当量J ：1卡4.2焦耳 能量守恒与转化使物理学达到空前的综合与统一。被称为物理学上第二次大综合。,热力学第一定律,能量守恒定律的发现与热现象的研究联系密切，这一定律发现之后立刻被克劳修斯（r.J.E.Clausius,18221888）和汤姆逊（W.Thomson,18
8、241907）用于热力学系统，被称为热力学第一定律。该定律否定了那些不需消耗能量就能输出功的永动机。 此后通过对卡诺热机的研究很快得到了热力学第二定律。,1850年克劳修斯将热力学第二定律表述为：热不可能自发地从较热物体转移到较冷的物体。 1851年汤姆逊将热力学第二定律表述为：从单一热源吸取能量使之完全变成有用的功而不产生其他效应是不可能的。这两种表述是等价的。 1865年克劳修斯提出了“熵”的概念，以熵增加原理的形式表述了热力学第二定律：孤立系统的熵总是会自发地趋于极大。,热力学第二定律告诉我们在没有差别的环境中，能量是不好利用的。这就是说，第二类永动机是不可能制造出来的。并且熵增加原理告
9、诉我们时间反演是不可逆的，自然过程有不可逆性。克劳修斯后来又提出了“热寂说”：宇宙的发展最终将达到永恒的死寂状态。,电磁现象的研究,电磁现象的研究-物理学第三次大综合 。 1785年，法国的库仑发现了电学上的第一个定量定律库仑定律，使电学进入定量阶段。,？第一次大综合,伏特、欧姆定律、基尔霍夫定律,1800年，法国科学家伏特读到了伽伐尼1791年的文章后，他发明了伏特电堆。从此电学从静电学进入动电学阶段。1821年德国的欧姆发现了欧姆定律。1847年德国的基尔霍夫提出了两个有关电路的基尔霍夫定律。,安培定律,1820年丹麦物理学家奥斯特在给学生做演示实验中偶然发现了电流周围有磁场，在这以前，他
10、一直相信谢林关于自然现象统一的思想。法国物理学家安培通过实验得到了电流与电流（或磁场）相互作用的安培定律。,法拉第,法拉第是对现代电学发现作出贡献的第一流科学家。1821年他研究了奥斯特发现的电流的磁作用，作出了一项重大发现：磁作用的方向是与产生磁作用的电流的方向垂直的。法拉第还制成了一种电动机，证明了导线在恒定磁场内的转动。,电磁感应定律,法拉第坚信，电与磁的关系必须被推广，如果电流能产生磁场，磁场也一定能产生电流。法拉第为此冥思苦想了十年。他做了许多次实验结果都失败了。直到1831年年底，他才取得了巨大的突破，发现了磁铁同导线相对运动时，导线中有电流产生。这就是他所发现的电磁感应定律，成为
11、发电机的理论基础。,麦克斯韦,1864年，年青的麦克斯韦在总结前人工作的基础上，引入位移电流的概念，建立了一组微分方程。,麦克斯韦方程组,这方程组确定电荷、电流（运动的电荷）、电场、磁场之间的普遍联系，是电磁学的基本方程，麦克斯韦方程组表明，空间某处只要有变化的磁场就能激发出涡旋电场，而变化的电场又能激发涡旋磁场。,物理学第三次伟大综合,麦克斯韦方程概括全部电磁现象，把法拉第的思想用数学语言表述出来。从此，电学、磁学、光学融合成一体，物理学完成了第三次伟大的综合。,赫兹电磁波,1888年，物理学家赫兹发现了电磁波。他的实验研究除观察到电磁波是由电波和磁波组成外，还进一步观察到电磁波的反射、折射
12、、干涉和衍射，从而全面证实了麦克斯韦的理论。,马可尼无线电报,1896年，年仅22岁的马可尼发明了无线电报，他的信号仅穿行了1.6公里的距离。5年后，即1901年12月12日，他在英国的一个小镇将天线系在50米高的风筝上，发射了一个莫尔斯电码 。,该无线电信号即以光速穿越了约3600公里，跨越了浩瀚的大西洋，在不到1秒钟的时间内便到达了接收地圣约翰。人们听到了三声微弱的滴答声（）。 不要忘了，无线电技术的基础是纯粹科学研究，包括法拉第、麦克斯韦和赫兹等科学家的工作。,光的波动说的复兴,19世纪上半叶物理学领域另一个引人瞩目的事件就是光的波动说的复兴。 代表人物： 杨 第一个近似测定光的波长 菲
13、涅尔 衍射、干涉、光振动（横波）,由于杨和菲涅尔的工作，沉寂100多年的光的波动说得以复兴，19世纪中叶得到巩固。 直到20世纪初，爱因斯坦提出光量子假说，在量子力学框架中，光的粒子性和波动性得到统一，旷日持久的粒子说与波动说之諍得以平息。,化学上的成就,原子分子论 有机物合成和有机结构理论 元素周期律,原子分子论,1766年，卡文迪许发表了人造气体一文，这篇论文纪录了卡文迪许对氢气的研究。文中指出，氢气是做为一种独特的物质存在的。,普里斯特里氧元素,1774年普里斯特里发现氧元素。普里斯特里终生信奉燃素学说。,懒惰的气体,1868年8月18日，英国天文学家罗克耶尔和法国天文学家詹森用分光镜分
14、析日冕时，根据光谱线确定了一种人们从未发现的物质。他们认为这可能是一种特殊的天体物质，地球上没有，只在距我们1.5亿公里的太阳上才有。于是罗克耶尔决定用古希腊文“太阳”来给这种物质命名为“氦”-懒惰的气体。,道尔顿现代原子论,1803年，化学家道尔顿提出：化学元素是由非常微小的，不可再分的微粒原子所组成。,原子模型 S原子结构,1858年意大利化学家康尼查罗发表论文令人信服地指出，只要接受50年前阿伏伽德罗提出的分子假说，测定原子量、确定化学式的困难就可迎刃而解。这一思想迅速得到了各国化学家的赞同，现代原子分子论终于瓜熟蒂落。,人们根据原子量，通过分析测试可以确定分子式，再按原子价和化学性质就
15、可描绘出分子的结构式，并进而看出结构与性能之间的关系。但原子、分子是否真正存在的争论却一直持续到20世纪初。,有机物合成和有机结构理论,1829年至1839年，李比希为奠定有机化学的基础作出了卓越贡献，主要有：研究成功简单而又精确的有机化合物分析法。,维勒有机物尿素,1824年，年仅24岁的维勒用无机物氰和氨水合成了有机物尿素。给予有机物只能来源于有生命的动植物的神秘活力论以致命打击。,凯库勒碳的四价学说苯环,1858年，化学家凯库勒提出碳的四价学说，揭示了有机物的结构，并提出了苯的环状结构，解决了一大类芳香族有机化合物的分子结构的难题，为人工合成有机物打下理论基础，特别使染料的合成有了理论指
16、导。,费雪糖的结构,费雪成功地解决了糖的结构以及在嘌呤衍生物、肽等方面的研究成果，1902年，在他50岁时荣获了诺贝尔化学奖。 费雪获得诺贝尔奖以后，仍然不懈努力，并于1914年第一个合成核苷酸。,元素周期律,1829年，德国化学家提出了“三元素组”。1862年法国化学家又提出来著名的按元素原子量排列的“元素螺旋图”。1864年，英国化学家提出来一个以“原子量和元素符号”为标题的元素表。次年英国另一位化学家得出著名的“元素八音律”。,德国化学家迈尔1864年在出版的一本教材中发表了一张元素周期表。其中区分了主簇和副簇元素，以原子量和原子体积为坐标轴绘了一条曲线。,1869年，化学家门捷列夫通过对当时已知的63种化学元素的分析，机敏地发现了这些元素的性质与原子量的关系，提出了化学周期律。与迈尔不同，他依据这个规律，大胆预言了十几种未知元素的存在和它们的性质，后来被一一证实。,生物学的飞跃,细胞学说 生物进化论,细胞学说,“细胞”（cell）这个词的原意是小室的意思。 自从英国科学家R胡克在他的显微术（1665年）一书中首次将“细胞”一词用于他在复式显微镜下看到的软木片的细微结构即死细胞的细胞壁时，这个词便具有了一定的生物学含义。,
