物理学与人类文明第一课时导学案

物

理

学

与

人

类

文

明

五华县五华中学

朱伟柱

科学的诞生

1 地心说

哥白尼的日心说，揭开了现代自然科学的序幕。然而最早提出日心说的人并不是哥白尼，而是在亚历山大科学院工作的古希腊天文学家阿里斯塔克。

公元前500年左右古希腊的毕达哥拉斯就提出大地是球形的主张。在中国占统治地位的，始终是”天圆地方”的学说。 公元前300年，著名希腊哲学家亚里士多德系统地提出地心说, 认为地球位于宇宙的中心。太阳、月亮、行星和恒星都围绕地球作圆周运动。 亚历山大科学院的另一位天文学家托勒密，进一步改进和完善了地心说，使之与天文观测符合得更好，于是地心说彻底击败了日心说。 意大利早期文艺复兴的诗人但丁，在《神曲》一书的”天堂篇”中，用托勒密的地心说对天堂作了生动的描述。 2 地理大发现

1500年前后，葡萄牙人沿着非洲西岸到达非洲最南端的好望角。1498年，另一位葡萄牙人达¡¤伽马绕过好望角航行到印度。 在葡萄牙人向东航行的时候，西班牙国王支持哥伦布向西去探寻新航道。他率领的由三条帆船组成的西班牙船队，经过七十天的艰苦航行，到达了现今称为美洲的地方。 519年，葡萄牙人麦哲伦在得不到本国国王支持的情况下，率领西班牙国王给予他的五条帆船向西航行，试图完成哥伦布从西方到达印度的梦想。在经历各种艰险和水手叛乱的灾难之后，麦哲伦终于率领余下的三条船绕过美洲最南端，横越太平洋到达东南亚。

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在横越太平洋时，麦哲伦的一个同伴发现了两个位于南天的星系，后来被称为大、小麦哲伦云。它们是离我们的银河系最近的河外星系。

1521年，麦哲伦本人因干预菲律宾当地居民的内讧而丧生，但他的追随者终于在1522年回到西班牙。麦哲伦航行用实践证明了人类居住的大地是球形的。 3 文艺复兴与宗教改革

同在1500年前后，附着在十字军身上而得以从阿拉伯地区重返欧洲的希腊文明，已逐渐传播开来。有学识的欧洲人在古希腊文明、中国文明、印度文明和地理大发现面前惊呆了。集科学家和艺术家于一身的达¡¤芬奇开始跳出圈子，不再绘制君主和神灵，而是去创作生动活泼的人，例如名画”蒙娜丽莎”。

文艺复兴”文坛三杰” 和”艺术三杰” 作品的着眼点不再是神，而是人。他们用文笔和画笔歌颂普通人的内心美、形体美和健康美，揭露封建社会的黑暗腐朽，反映人民对自由、正义和思想解放的渴望，呼唤新世纪和新社会的来临。

然而当时黑暗、腐败的教会仍在欺骗和盘剥民众。那时的《圣经》是用拉丁文写的，一般人都看不懂，主教和神父们利用这一点，在传教过程中曲解《圣经》，向人们兜售”赎罪卷”。谎称只要买了教会的”赎罪卷”，便可在上帝面前赎罪。

德国的青年神学家马丁¡¤路德在学会拉丁文后，发现民众由于不识拉丁文，看不懂《圣经》而被教会所蒙骗。他写下95条指控教会的声明贴在教堂外面。这个声明如惊雷一般引起了社会的震荡，使全德国乃至整个欧洲爆发了大辩论和宗教战争。 4 哥白尼与日心说

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年轻的哥白尼在波兰的克拉科夫大学度过了自己的大学生涯，这所大学是当时欧洲著名的学术中心。然后，他又到意大利留学

，动荡的校园生活和社会生活解放着哥白尼的思想。

哥白尼发现托勒密的地心说不仅复杂混乱，而且漏洞百出，他知道古希腊曾经有过日心说。毕达哥拉斯曾经提过一个富有启发性的模型，认为宇宙是一个球体，位于宇宙中心的，叫中心火。包括太阳、地球在内的所有天体，都围绕中心火转动。 经过长期反复地思考，日心说在哥白尼的头脑中逐渐成熟。他在《天体运行论》的第一卷中写道：” ¡­我终于发现，如果认为地球和行星都围绕太阳运动，一切就变得简单而清楚了”。 5 布鲁诺与无限的宇宙

布鲁诺是神学院的学生。他深受文艺复兴思想的影响，主张思想自由，甚至宣传无神论。 布鲁诺突破了宇宙有限的思想：不论是托勒密的地心说还是哥白尼的日心说，都认为宇宙是有限的球体。布鲁诺则声称宇宙在空间和时间上都是无限的。宇宙不仅在空间上无边无限，在时间上也没有开始和结束。 教会的头头们对布鲁诺的理论感到极大的恐惧和愤怒，于是，28岁的布鲁诺逃出了自己生活的修道院，并多次躲过教会的追捕，最后终因有人出卖而被捕。他被监禁了7年，从不屈服。最终被教会判处火刑。 布鲁诺勇敢地离去了，但后人永远不会忘记他。300年后，他的宇宙观得到了公认。布鲁诺的学说和精神象闪闪的明星一样，永远照耀着后人。

6 望远镜与土星的光环

伽利略从青年时代起就对天文和物理有兴趣。当他听说荷兰有人制造出望

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远镜的时候，就依靠自己的光学知识，设计制造了最早的天文望远镜。

伽利略发现银河是由大量恒星组成的，月亮表面凹凸不平，太阳有斑点，而木星居然有卫星，这使得教会及其追随者感到震惊和愤慨!明亮光洁的月亮怎么可能凹凸不平呢? 光辉神圣的太阳怎么可能有斑点呢? 这肯定是玻璃产生的幻影。不信?你把望远镜上的玻璃取掉，就看不到月亮的凹凸和太阳的斑点了。 伽利略还看到了土星的光环，但由于当时的望远镜分辨率不高，伽利略觉得似乎土星两侧各有一颗”伴星”。他想公布自己的发现，又怕弄错了闹笑话。

伽利略认为土星的光环是卫星，并发表了自己的见解，今天，我们知道土星确实有两颗卫星。

7 伽利略的“认罪”声明

由于宣传哥白尼的日心说，伽利略在1616年受到宗教裁判所的警告。冒然出版了宣传日心说的《关于两大世界体系的对话》

后，他受到宗教裁判所的审判，在1633年被判终身监禁。他被迫跪在法庭上做了”认罪”声明。 8 第谷的精密观测

第谷是以观测精密而著称的丹麦天文学家。他做天文观测认真细致、持之以恒，对星体运动的观测精度比哥白尼高出20倍。

丹麦国王腓特烈二世怕这位天文奇才流失到天文学发达的德国去，就专门为他建立了一座天文台。这是当时世界上最先进的天文台，第谷在那里工作了差不多20年。

1577年第谷仔细观测了天空出现的一颗巨大彗星（即后来命名的哈雷慧星），更为重要的是， 第谷通过精密观测发现，彗星轨道不是正圆。 第谷本人不同意哥白尼的日心说，于是他提出了折中的混合说：地球位于宇宙中心不动，太阳、月亮和恒星天围绕地球转，但金、木、水、火、土五大

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行星不是围绕地球转，而是围绕太阳转，再跟太阳一起围绕地球转，转动轨道都是正圆。

第谷在长期稳定的工作环境中，积累了大量的精确观测资料，为世界的历法改革奠定了基础。腓特烈去世后，即位的新国王不能容忍第谷的脾气，不再资助他的天文研究。德国皇帝鲁道夫二世得知这个消息后非常高兴，马上邀请他到德国。于是，在1597年第谷来到布拉格工作。 9 开普勒与正多面体宇宙

开普勒非常喜欢数学和天文，并显示出惊人的才华。开普勒的一位天文学老师是日心说的拥护者，公开宣传哥白尼的日心说，这对开普勒的宇宙观产生极大的影响。

开普勒长期致力于寻找各行星轨道之间的数学联系。通过反复地计算，他惊奇的发现，用柏拉图的5种正多面体，刚好可以给出6大行星轨道半径之间的关系。

如果把土星轨道画在一个正6面体的外接球上，那么木星轨道就恰在此6面体的内切球上；

如果把这个6面体的内切球看作一个正4面体的外接球, 那么火星轨道就在此4面体的内切球上；

如果把这个4面体的内切球看作一个正12面体的外接球，那么地球轨道就在此12面体的内切球上；

如果把这个12面体的内切球看作一个正20面体的外接球，那么金星轨道就在此20面体的内切球上；

如果把这个20面体的内切球看作一个正8面体的外接球，那么水星轨道就在此8面体的内切球上；

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10 行星运动定律的发现

开普勒牢记第谷临终前的忠告：“一定要尊重观测事实”。他发现用圆周运动来解释火星轨道，与第谷的观测值总有8分的偏差不能消除。 开普勒迈出了关键的一步：火星轨道是椭圆而不是圆。接着，他又把这一认识推广到所有的行星，得到了以自己名字命名的两条定律：

开普勒第一定律：行星运动的轨道是一个椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。

开普勒第二定律：行星轨道的矢径在单位时间内扫过的面积相等。

现在开普勒发现了行星运动定律，做出了重大的成就

，并改造了天文望远镜。可以说，伽利略与开普勒是天文望远镜的两位鼻祖。 开普勒猜测行星运动的快慢，可能与行星轨道的半径有某种关系。他把地球的轨道半径定义为1 ，地球的公转周期也定义为1 ，然后给出其它行星轨道半径与周期对地球的相对值。他画出了一张表(表一)，但没有看出表中数据间有什么关系。

开普勒坚信宇宙是和谐的，上述数字之间应该存在某种联系。他日日夜夜地思考，又算出了这样一张表（表二）：

行星

T(轨道周R(轨道半期) 水星

金星

地球

火星

径) 0.387 0.723 1.000 1.524 7 0.241 0.615 1.000 1.881

木星

土星

11.862 29.457 5.203 9.539 行星

水星

金星

地球

火星

木星

土星

T2 0.058 0.378 1.000 3.54 140.7 867.7 R3 0.058 0.378 1.000 3.54 140.7 867.7

表一 表二

他真的找到了行星运动快慢与轨道半径的关系：行星轨道周期的平方与轨道半径的立方成正比。这就是著名的开普勒第三定律。 这三条定律的发现，使开普勒获得了“天空立法者”的美誉。然而，他仍然是穷困的。开普勒一直牢记第谷的嘱托，发誓要完成老师的遗愿：制定最精确的星表。 物理的初创

1 自由落体定律

许多人都知道一个传说：伽利略Galileo在著名的比萨斜塔上做过自由落体实验。他让不同重量的球，从塔上同时自由下落，发现它们同时落地。于是得到重力加速度与下落物体的质量无关的结论。这一结论被称为自由落体定律

然而，经过仔细考查，没有任何可靠的证据表明伽利略在比萨斜塔上做过自由落体实验。比较可靠的是，伽利略的反对者曾在比萨斜塔上做过这一实验，

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两个物体没有同时落地，结果引发了围观者中伽利略支持者与反对者的一场争吵。 在伽利略生活的那个时代，占统治地位的是古希腊亚里士多德Aristotle的学说。按照这个学说，重物会比轻物下落得快；大小相同重量不同的小球，如果同时开始下落，重球应比轻球先落地。 他们设想把一块重物和一块轻物用带子捆在一起，让它们自由下落。捆在一起时的下落速度，应该比单独下落的轻物快，而比单独下落的重物慢。于是，同样依据亚里士多德的观点，得到了两个相互矛盾的结论。

伽利略有一个直观的猜测：真空中的自由落体运动应该最简单。他用极限的观点来推想这一运动。伽利略说：”鉴于这点，我认为，如果完全排除空气阻力，所有的物体将下落得同样快”。

伽利略虽然没有做自由落体实验，但他仔细做了斜面实验。他正确地认识到，斜面上小球的下滚运动，即是”冲淡了”或”减缓了”的自由落体运动。伽利略是通过思想实验得到落体定律的。

2 惯性定律(Law of inertia 伽利略的另一个重大贡献是确认了惯性定律。law of inertia他认为不受外力的物体将保持惯性运动的状态不变。 伽利略认为，不受外力的物体将永远保持惯性运动的状态不变。他再次运用自己研究斜面运动的成果，他想，假如把斜面完全放平，小球就会永远沿直线匀速运动下去。于是，伽利略得到了惯性定律，正确地指出维持运动不需要力，只有改变物体运动状态时才需要力。

伽利略又认为匀速圆周运动uniform speed circular motion也属于惯性运动inertial motion。这是因为他觉得行星绕日运动没有受到力，却能永远

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转动下去，应该是一个惯性运动。 后来爱因斯坦Einstein的广义相对论General Relativity进一修正了开普勒Kepler的行星运动定律，指出行星绕日的轨道在三维空间看来不是一个封闭的椭圆，与封闭的椭圆略有差异。而在四维时空看来，此轨道是测地线geodesic curve。

3 相对性原理(principle of relativity) 伽利略第三个重大贡献是提出”相对性原理”。

关于运动的相对性，自古以来各国人民都有粗浅的认识。我国宋朝的陈与义曾在诗中写道：

飞花两岸照船红，百里榆堤半日风。卧看满天云不动，不知云与我俱东。

伽利略再一次运用理想实验来阐述思想：、设想把你关在大船的房间里，招来小动物。再拿一只盛水的桶, 里面放一些鱼；船在静止不动时，我们看到小动物如何以同样的速度飞向房间各处；看到鱼毫无差别地向各个方向游动。

但是没有人怀疑，如果船上情况不变，当船以任意速度运动时这一切应当照样发生。只要这运动是均匀的，不在任何方向发生摇摆，你不能辨别得出上述这一切结果有丝毫变化，也不能靠其中任何一个结果来推断船是在运动还是静止不动。 “我想起我在船舱里经常不知道船究竟是动还是静止不动；有时我猜想船是朝某个方向行驶，其实它朝另一个方向走。所以我确信前面提出的所有证明相反说法的实验都无价值。”

“相对性原理”的意思是说，所有的惯性系inertial system都是平等的。不能用任何实验来区分一个系统是静止还是在作匀速直线运动。

4 上帝说：让牛顿去吧

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英国的资产阶级革命爆发于1640年，清军入关发生在1644年。就在这两个年份之间，伽利略于1642年1月8日逝世。那一年的圣诞节，牛顿Newton诞生在英国一个农民的家庭中。

牛顿的童年是不幸的，他是一个遗腹子，牛顿在学习上奋发起来，决心与别的同学一比高低，经过艰苦努力，毕业时竟在全班名列前茅。

当时正处于英国资产阶级革命爆发、社会剧烈动荡的年代。革命后的英国，使平民在一定程度上获得了受教育的权利。由此经过多方努力，牛顿在18岁时终于以减费生的身份进入剑桥大学University of Cambridge三一学院学习。 1665年，23岁的牛顿取得学士学位，就在这一年的夏天，英国爆发了大规模瘟疫，学校不得不停课。牛顿避居乡下，这一年半(1665－1666年)是牛顿一生中创造力最旺盛的时期。他一生的主要成果，几乎都是在这段时间里做出的。根据牛顿本人的说法，力学三定律，万有引力定律，微积分和色彩理论等等，都是在这段时期构思而成的。

当时担任皇家学会实验总监的胡克Sidney Hook，实验水平很高，但理论水平差一些。胡克对许多领域都有兴趣，并有预见，可是钻研不够深入。牛顿用微粒说写成的光学论文，遭到胡克的批评。

《自然哲学之数学原理》(The mathematical principles of natural philosophy)一书被看作经典物理学的《圣经》。内容包括:绝对时空观，惯性系，相对性原理，力学三定律，万有引力定律和迭加原理(平行四边形法则)。 5 经典物理学的《圣经》

牛顿的主要研究成果集中在《自然哲学之数学原理》一书中，这本书可以看作经典物理学的《圣经》。牛顿在此书中建立了一个完备自洽的物理学体系。

总之，牛顿认为绝对空间和绝对时间是客观存在的、与运动和物质无关的

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东西。物体就在这空虚的绝对空间之内，就在这均匀流逝的绝对时间之中，永恒地运动着。

牛顿认为，所有的匀速直线运动都是相对的，我们不可能通过速度来感知绝对空间的存在。但是，牛顿断言, 转动是绝对的! 或者说加速运动是绝对的。牛顿设计了著名的水桶实验。

首先，牛顿认为力不是维持物体运动的原因，而是改变物体运动状态的原因。他给出第一定律：不受外力的物体将在惯性系中保持静止或匀速直线运动的状态不变。

接着，他又给出第二定律，说明力、质量和运动之间的定量关系：物体的加速度与它所受的外力成正比，与它的质量成反比。

牛顿第三定律则指出：两个物体间的作用力和反作用力大小相等，方向相反，作用在一条直线上。 6 牛顿与苹果落地的故事

有一个故事说，牛顿23岁左右在乡下躲避瘟疫时（1665-1666年），偶然看到苹果落地，促使他思考重力问题，并很快发现了万有引力定律law of universal gravitation 。 首先传播这个故事的人，是法国著名文学家、启蒙思想家伏尔泰Voltaire。这个故事最早出现在伏尔泰1738年出版的名著《牛顿的哲学》一书中。

比较可信的是, 万有引力定律的发现，经历了一段时间。牛顿做出重大发现是”靠不停地思考”。在长时间的思考中，牛顿逐渐认识到，地球吸引地表物体的重力，与地球吸引月球的力，以及太阳吸引行星的力，是同一种力。这种力是任何物体、任何物质都有的，因而是万有的。

此外，还有另一个

“苹果落地”的故事。牛顿已经当了教授，牛顿一个人

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在散步。突然一个苹果从他身旁的一株树上落下，一种科学之外的兴趣促使牛顿咬了一口苹果，一股又苦又酸的感觉使他的大脑清醒起来。他忽然想到应该促使学术部门专门立一个项，拨一笔款，来研究这种导致苹果落地的重力。 在不久之后召开的一次讨论科研项目与经费的会议上，牛顿讲了那天晚上那个苦涩的苹果引发的感受，他建议专门立一个项目来研究重力问题。一位先生立刻表示，他也有同感，英国的苹果确实不好，他赞同立一个项目来研究苹果品种的改良。 7 万有引力定律(Newton’s Law of Gravitation 在1687年出版的《自然哲学之数学原理》中，45岁的牛顿终于明确地提出了万有引力定律。万有引力定律和力学三定律一起，构成了此书的主要内容。

1682年，一颗明亮的彗星出现在天空。哈雷Halley应用牛顿的万有引力定律和力学三定律，算出了这颗彗星的轨道和周期，周期约为75年这颗彗星被命名为哈雷彗星Halley comet 现在人们认识到这是一种自然现象。彗星由冰晶、尘埃与冰冻的气体组成，靠近太阳时，冷冻的水汽和其它气体

大约150年后，人们发现天王星Uranus的实际轨道与万有引力理论算出的不符。两位年轻人¡ª¡ª英国的亚当斯Adams和法国的勒维叶Leverier，各自独立地进行了复杂的计算，都得到了未知行星的轨道。就这样发现了海王星Neptune 。 在《自然哲学之数学原理》发表之后一百多年，卡文迪什Cavendish用自己设计的扭秤torsion balance，精确测定了G值，认为G是一个常数，对任何物质，在任何距离下都相同。在卡文迪什之后，许多人做了更精密的实验，确认了他的结论。

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8 伏尔泰与思想启蒙

伏尔泰是18世纪法国著名的文学家和启蒙思想家。他个子矮小，其貌不扬，生活轻浮，语言尖刻，充满了叛逆精神，而且才华横溢。他的作品轰动全国，剧本在巴黎长演不衰。他用辛辣的笔锋揭露社会的黑暗，讽刺教会和王公贵族。

伏尔泰和夏特莱Chatelet夫人在西雷庄园生活了15年。那里不但成为伏他们研究与写作的天堂，而且逐渐形成了一个小的文化中心。文人、学者、达官贵人纷纷到这里聚会和拜访，来聆听伏尔泰先生的各种奇谈怪论。

伏尔泰的作品与言论对法国人民的启蒙发挥了巨大作用，为法国大革命作了思想和文化准备。当然，对于学习和研究物理的人来讲，还有特别值得注意的东西，那就是伏尔泰对牛顿哲学与物理思想的传播起过重大作用。

9 这片空间会荒废吗

1766年中学教师提丢斯Titius发现, 太阳系各行星到太阳的平均距离满足一个经验公式。1772年柏林天文台台长波德Bord写出另一个与提丢斯理论等价的公式：

R = 0.3×2(n－2)＋0.4 (天文单位)

行星

n R(理论R(观值) 测值) 水星

1 金星

2 地球

3

0.4 0.7 1.0 0.39 0.73 1.00 14

使用这个公式时唯

一的例外是，对于水星

来说，应把 0.3×2(n －2) 一项用零代替。

右表给出当时已知各行

星R的理论值(波德公式

算出)和观测值: 火星

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5 木星

6 土星

7 1.6 2.8 5.2 1.53

5.22 10.0 9.6 但n = 5 处有一个空位，当时没有观测到任何行星。波德认为：这里应该有一颗行星，它的R值应该在2.8左右。波德写道“火星的外面是一片空间¡­¡­迄今为止还没有看见那里面有什么行星。我们能够相信造物主会荒废这片空间吗?”

在 n = 5 的位置上为什么会有这么多小行星呢? 它们果真是大行星的碎片吗? 这个问题，还没有最后的答案。

10 走下神坛的牛顿

应该说，青年时代的牛顿是一个谦虚、谨慎的人。他的主要学术成果，都是在这个时期完成的。 长期的学术争论和受到的人身攻击极大地刺激了牛顿，学术上的成功也使他渐渐变得傲慢起来，他沽名钓誉而且有时不择手段。牛顿和莱布尼兹争夺微积分的发现权。许多科学家卷入其中，为双方辩护。 今天我们已经知道，微积分是牛顿和莱布尼兹Leibniz各自独立发现的。在时间上牛顿略早一些, 但他没有及时发表自己的工作。莱布尼兹发表得要比牛顿早。应该说，他们二人都是微积分的发现者。

与牛顿的成就相比，他的缺点犹如太阳的黑子。牛顿对物理学的贡献是无

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与伦比的。1727年牛顿逝世，安葬在伦敦泰晤士河边的威斯特明斯教

堂，与英国历代君主和名人长眠在一起，供世人瞻仰。

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