科学史纲要第07讲近代物理学革命之伽利略与自然数学化

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1、第七讲近代物理学革命之伽利略与自然数学化伽利略生平1564.2.15生于意大利的比萨。1589年，25岁，比萨大学数学教授。1592年，帕多瓦大学。1610年回到佛罗伦萨1624－1630写作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，1632年出版，1633年监禁。1638年出版《两门新科学》1642年1月8日去世。伽利略与天文望远镜伽利略与天文望远镜（一）、望远镜的制造荷兰人的玩具发明：1609年夏天，伽利略在威尼斯听到一个消息说在荷兰有一种由一个圆筒和两片有曲面的玻璃片构成的仪器，能将很远的东

2、西看得很清楚。伽利略要仔细地验证这个传闻的真实性，为此为自己制造了一个这样的仪器。到1609年底伽利略将望远镜的放大倍数扩大到了20倍。伽利略与天文望远镜（二）、把自制的望远镜指向了天空：1610年出版了《星空信使》，把运用望远镜进行天文观测所获得的结果公之于众。1、当用望远镜观看恒星时，伽利略看到了许多肉眼无法看到的恒星。尽管恒星视差依然难以察觉，所观察到的足以说明宇宙如哥白尼所预言，远远大于我们从前的想象。2、1610年1月发现木星有卫星环绕，地球不再是唯一的绕转中心；木星周围环绕着卫星，它们使

3、木星看上去分明就像是一个太阳系的缩影。伽利略与天文望远镜3、月亮表面凹凸不平，有山谷和平原。在亚里士多德的世界中，月亮是完美的天体，而伽利略的发现表明天上与地上十分类似。伽利略与天文望远镜4、伽利略还发现在传统宇宙理论中作为完美象征的太阳，其表面实际上是“斑斑点点、不洁净的”，即有太阳黑子。这个发现大大削弱了天空完美无缺的信条。5、更重要的发现是金星有着与月相一样的位相，有时呈现满月那样的圆面，有时则如一弯新月那样。这完全不能与托勒密关于金星的几何学相容。这表明金星的确在环绕着太阳运动。伽利略与新物

4、理学革命前奏一：冲力论亚里士多德的运动观：每种运动需要一个原因（动力因）一个物体只要有而且仅有某物在推动它，它会运动问题：物体脱离原动力之后，没有东西推动它，这个物体怎么又会继续运动呢？冲力论：物体离开了原动力，但是它同时获得了冲力，冲力继续推动它前进冲力论是亚里士多德运动观的延续，自身面临着很多无法解释问题，伽利略早期是冲力论的信奉者哥白尼地动学说的困难第一，恒星视差问题第二，离心力问题第三，地动抛物问题垂直落体问题需要动力学的解释吉尔伯特和开普勒—磁力学伽利略？前奏二：哥白尼主义者的困境日心说

5、的挑战——垂直落体问题假设一个球从一座塔上下落，按照哥白尼系统，塔正在以巨大的速度自西往东运行。一旦球被释放，那么握着它同塔一起移动的手就停止作用，它向东的运动就应该应该停止。并由于它将以一个重物的自然运动下落到地球上，它似乎应该掉到塔的西边。伽利略的动力学伽利略-斜面实验斜面实验的概念准备：1.时间的概念：测量小球走过不同距离所需要的时间。当时钟表还没有发明，伽利略想出来的解决办法是用“水钟”通过一个大容器里流出的水量来测量时间2.空间的概念：空间（准确的来说是“处所”）并非均匀一致，当时只有运动

6、快慢的定性概念，根本没有匀速运动和匀加速运动的定量概念。伽利略-斜面实验斜面实验的结论1：自然运动中所通过的距离正比于时间的平方，因而在相等的时间内通过的距离是奇数关系。自由落体定律的雏形伽利略的动力学概念一，放弃因果解释，局限于寻找重物下落的描述性定律亚里士多德：月下区的物体具有重性或者轻性，这些性质是物体做自然运动的原因，月上区的物体没有这些性质，宇宙是一个等级结构伽利略：只研究重力——重物的自然属性，但是，重力只是对物体下落现象的一种描述，这一现象普遍存在于所有的物质之中，无论天上还是地下。宇

7、宙是均一的，天上遵循跟地上一样的定律伽利略动力学的特点二、加速度的概念提出亚里士多德：力是产生速度的原因，而不是产生速度的变化的原因伽利略提出加速度的概念：事实证明速度不是不变的，因此这种运动也不是均匀的。为了追求均一性和简单性，我们必须认为速度不是均一性的，而速度的增量（加速度）是均一的。伽利略-斜面实验如果使斜面的摩擦力小到可以忽略不计，那么当小球从某一高度的斜面滚下之后，它还可以继续滚上另一斜面，直到和出发时同一高度的地方，滚动的距离与斜面的倾斜度无关。进一步的推论：如另一斜面的倾斜度为零，那

8、么小球将以滚上这个面时的初始速度一直不停地滚动下去斜面实验的结论2：惯性定律的雏形运动并不需要原因，只有运动的变化需要原因。伽利略动力学的特点亚里士多德：运动与运动的原因紧紧绑在一起所以只有在有力（或者轻性、重性等性质）存在的情况下，物体才会运动。运动和导致运动的原因紧紧绑在一起。静止是这种原因的丧失。伽利略：静止与运动处于同一层次，都只是状态而已。将运动同物体的本质属性分离开来：对物体而言，运动不会对它产生任何影响。运动只是展现自身的一种状态，一个物体是不会在意它是