第二章 西方古代物理学

1. 第二章西方古代物理学 启 明 之 光: 二. 古 希 腊 时 期 的 物 理 进 展 一 古希腊时期：前8世纪--4世纪 二 中世纪：5—15世纪

2. 第一节 古希腊物质本原思想 第二节 古希腊时期对宇宙的认识 第三节 古希腊的物理学知识 第四节 中世纪的物理学知识 第五节. 亚里士多德的物理学

3. 古希腊的三个时期（公元前8世纪---4世纪） ①城邦时期（前8世纪—前4世纪）：在地中海东岸有10余个不同城邦，这时的雅典为众城邦的盟主，也是科学文化发展的中心。出现了大批著名的哲学家和科学家：泰勒斯、毕达哥拉斯、德谟克利特、苏格拉底、柏拉图和亚里士多德等。 ②亚历山大时期（前4世纪—前2世纪）：以亚历山大为首的马其顿人征服了全希腊，建立了地跨欧亚非大陆的亚历山大帝国，在埃及建立了“亚历山大城” ，在城内还建立了博物馆和图书馆，聚集了大批优秀的科学家。科学文化的中心也自然的转为埃及的亚历山大城； ③罗马时期（前2世纪—4世纪）：希腊被罗马人征服,开始了罗马时期。初期由于政治动荡，科学文化停止不前，当社会稳定后，从公元2世纪到4世纪，亚历山大里亚的科学再度中兴。这时科学家已经转为重视使用的氛围中，研究活动多与实际生活的需求相关。或者表现为对以往科学的注释上。

4. 中世纪可以细分为三个时期： ①黑暗时代（5—8世纪）：战争频繁，社会动乱，古希腊学术终结。基督教成为罗马国教，违背宗教的见解受到惩罚。 ②阿拉伯文化时代（8—11世纪）：地处东西方贸易交流纽带的阿拉伯，成为沟通东西方文化的桥梁，同时完好的保存了许多古希腊的学术典籍，对后来欧洲文艺复兴乃至近代科学产生重大影响。 ③经院哲学时代（11—12世纪）：这一时期的哲学内容是论证和辩护宗教信仰的合理性，主张理性服从信仰，将哲学变成了神学的婢女。代表人物托马斯•阿奎那（1226—1274）将亚里士多德的学说神话，使其成为不可侵犯的权威。反叛代表培根。

5. 第一节 古希腊物质本原思想 一 元素论二 数的和谐思想 三 原子论

6. 一 元素论①城邦时期：米利都学派创始人泰勒斯认为万物本原是水，大陆漂浮在水面上；万物源于水，复归于水，任何东西都会产生和消灭，惟独水是常存的。 其学生阿那克西曼德，认为世界的本原不可能是水，他认为万物的本原必须在宇宙的斗争中保持中立，应是无任何规定性的“无限者”； 阿那克西曼德的学生阿那克西米尼，则将万物的本原看作是“气”，认为大陆并无固体支撑，象一片树叶漂浮在空气中，就象天上的星球一样。 赫拉克利特（一城邦邦主）认为是“火”，他指出：“世界对于一切存在的物都是一样的，它的过去、现在、未来永远是一团永恒的火，在一定的分寸上燃烧，在一定的分寸上熄灭。”世界没有开端，没有终结，处于永恒的运动变化中。同一事物中对立的两个方面的斗争产生了万物。

7. 恩培多克勒：西西里岛的一位王子，因不愿接受王位而到处游学，专门研究科学与哲学。恩培多克勒认为，不能用单一物质做万物的本原，并提出“四根说”，即土、水、气、火四种元素，它们依次为固体、液体、气体，火则代表颜色和温度。恩培多克勒：西西里岛的一位王子，因不愿接受王位而到处游学，专门研究科学与哲学。恩培多克勒认为，不能用单一物质做万物的本原，并提出“四根说”，即土、水、气、火四种元素，它们依次为固体、液体、气体，火则代表颜色和温度。 ②亚历山大时期：进入公元前4世纪，希腊战争不断，直到亚历山大统一帝国。这时古希腊学派林立的科学与哲学学派也最终走向统一。这一任务有亚里士多德完成。亚里士多德在总结前人研究的基础上，提出：地上万物由轻重不同的土、水、气、火四种元素组成，月层以上的天体由以太组成，而元素又由冷、热、干、湿这四种更基本的基质构成。湿和冷组合成水，湿和热组合成气，干与冷组合成土，干与热组合成火。

8. 二 数的和谐思想 创始人：毕达哥拉斯（约前584-前497）。认为世界是一个超感性世界，是一个“数”的世界。数是万物本原，有了一个一个的数，才有了几何上的点，有了点才有线、面和立体，有了立体才有土、水、气、火四种元素等。 将数赋予一定的意义：1代表同一，是普遍的，由1产生2，产生出各种数；2代表意见，是1的对立物；3是实在和圆满，所有一切都有3决定；4是正义；10是灵魂与理性；10=1+2+3+4，包含了数的全部本性。10是最完美的数字，认为天上应该有10个天体（当时已知道9个），10个天体之间应存在一定的“和谐”关系等等。 认为圆形和球形是最完美的图形，所以天体的形状是球形的；

9. 由于注重数的比例关系，发现了数学上的毕达哥拉斯定理（勾股定理）与音乐上的五度相生律。认为世界上的一切现象和规律都服从“数的和谐”，这种“数的和谐”表现为数学上的简单性、对称性与和谐性。 毕达哥拉斯学派对数的尊崇形成了对数的神秘主义，但他们对“数的和谐”的追求，却形成了理性的数学传统。对后来自然科学的孕育、形成和发展产生了巨大作用。 “数的和谐”成为后来以至今天科学研究的一个重要指导原则。由“数的和谐”发展为“宇宙的和谐”的观念成为历代科学家的指导思想与科学方法。

10. 三 原子论 创始人：米利都学派的留基伯和其学生德谟克利特。接受了毕达哥拉斯的超感性世界的认识，但不接受“数”的本原观点。他将微观的几何点同“存在”结合起来，认为“存在”是不可分的、不变的、球形的。并将“存在”取名为“原子”。其原子论大致要点有七条：略。 原子论在希腊并未受到应有的重视，但雅典的伊壁鸠鲁（Epicurus，前341-前270）还是发展了这一学说：原子本身不仅有形状上的差别，还有大小和重量的不同，原子在虚空中以同样的速度运动着，只要不遇到任何阻抗。但是，由于原子内部的原因，原子在运动中会发生偏斜，由于这种偏斜使原子产生涡旋运动。 罗马科学家卢克莱修（Lucretius,约前95-前55）也继承和传播了原子论。 到17世纪，法国科学家伽桑狄（Piette Gassendi, 1592 - 1655)重新发现和传播了原子论。他们的研究与传播对道尔顿建立科学的原子论作了必要的准备和中介。

11. 第二节 古希腊时期对宇宙的认识 1.米利都学派 泰勒斯认为地象一个圆盘或圆筒浮在水面上，其学生阿那克西曼德认为宇宙是一大圆球，地处于球中央，形状也是圆盘或圆筒形，地静止不动。 2.毕达哥拉斯学派 毕达哥拉斯学派用“数的和谐”来建立关于宇宙的理论。认为天体的形状是球形，天上应该有10个天体，当中是中心火团，10个天体围绕中心火团做同心圆周运动，恒星紧系在天的最高圆顶。10个天体到中心火团之间的距离同音阶之间的音程具有同样的比例关系，以保证“星球的和谐”，奏出“天体的音乐”。天体必须作均匀的圆周运动的假设，一直控制着天文学的发展，直到开普勒为止。

12. 3.柏拉图学派 非常崇尚数，继承和发展了毕达哥拉斯学派对科学美的追求。他认为，天体必须沿着完美的圆形轨道作均匀有序的运动，或者沿着复合的圆周运动。他提出：有没有任何一种假说能把行星运动在外表上的无序转化为有序、美和简单呢？其学生欧多克索和亚里士多德提出了同心球层模型：欧多克索假设了26个同心球，亚里士多德发展到56个，太阳、月亮和地球为一个同心球，且太阳和月亮以地球为中心运动。

13. 4.地心说 古希腊后期的阿波罗尼（约前247—前205）为了克服同心球层模型的困难，提出了“本轮—均轮”结构模型：行星沿着本轮做圆周运动，本轮的中心又沿着在以地球为中心的均轮上做圆周运动。之后的希帕克斯又发展了偏心轮和本轮—均轮体系。直到托勒密（约90—168）进一步发展了地心说宇宙结构：他用80个轮来解释天体的运动，与实测数据符合的较好。后来被宗教利用来宣传教义，流行了1400多年。 5.太阳中心说 阿里斯塔克（约前310—前230）提出了与众不同的见解：太阳是宇宙的中心，地球和行星都围绕太阳运转，地球每年绕太阳转一周，又每天自转一周。因为恒星距离我们太远，其视差太小，我们看不出来，所以看起来恒星在远处不动。可惜他的看法不为当时人们的理解，其思想也就被淹没了。

14. 第三节 古希腊的物理学知识 古希腊的物理知识主要集中在力学和光学两个方面。力学主要有亚里士多德的动力学思想和阿基米德的静力学。 一 力学知识 1.亚里士多德的力学研究 ①关于空间：他认为空间即意味着不动。并提出了空间位置的相对性，如“同一位置可以是右也可以是左，可以是上,也可以是下。” 但他认为宇宙有限和天球以外是空虚的。 ②关于时间：他认为时间就是描述运动的数。他说“时间是使运动成为可以记数的东西”“我们不仅用时间计量运动，也用运动计量时间，因为他们是相互确定的”。他认为时间不同于运动，运动有快有慢，而时间的流失则是均匀的。

15. ③关于运动：他认为运动就是变化，并将自然界的运动分为自然运动和强迫运动。 ③关于运动：他认为运动就是变化，并将自然界的运动分为自然运动和强迫运动。 自然运动是指由于物体在“内在目的”的支配下寻找其“天然位置”的运动，与物质所含元素有关，如重物的垂直下落和轻物竖直上升。含土元素的重物的天然位置在地心，由火元素构成的轻物的天然位置在天空等。物体越重，下落就越快；物体越轻，上升就越快。 强迫运动指借助外力进行的运动，撤去外力，运动停止。物体的运动速度与施加的外力成正比，与在介质中受到的阻力成反比。 对抛体运动的解释:自然界害怕虚空,填补空虚推动物体. 对自由落体速度越来越快的解释：物体越接近其天然位置,其奔向倾向就越强；上方空气柱的重量越来越重等。 ④意义：亚里士多德能够摆脱神的意志，并能形成一套自圆其说的体系，在当时是有非常重要意义的。在科学史上，他是一个重要的开拓者，尽管其许多观点是错误的，但其历史作用不可否定。

16. 2. 阿基米德（前287—前212） 古希腊最著名的物 理学家，数学和力学大师。后人称其为“物理学之父”。著有《论平面的平衡》《论浮体》，其数学 研究在欧几里德之后达到那个时代的顶点。1）杠杆原理：用了7条假设，论证表述了15个命题.2）浮力定理（阿基米德定理）；3）证明了正圆柱内切球体的体积与该圆柱体积之比 为2:3；他采用了两种方法：①实际制作了两个材料相同的模型，称其重量； ②从数学上推导论证。4）提出了重心的概念和物体重心的求法；5）计算了π的数值在3又10/71和3又1/7之间；6）发明了滑轮组；7）发明了阿基米德螺旋提水器等。

17. 阿基米德像 启 明 之 光: 二. 古 希 腊 时 期 的 物 理 进 展 传： 1)铜镜烧船:地中海，罗马要灭亡叙拉古。阿基米德让妇女用铜镜组成一面聚光镜烧战船上的帆，浸了油的绳与桅杆和帆都烧起来了。 1747年，法国科学家布韦为了验证这一情况，用360面镜子，拼成一个大凹镜，烧灼了70米外的木堆。

18. 启 明 之 光: 二. 古 希 腊 时 期 的 物 理 进 展 2）发明的滑轮组：应国王要求，利用机械装置将一艘巨轮拖动。这一机械装置即是他发明的滑轮组。 3)豪言：传阿基米德在叙拉古的王宫曾以这样的豪言评价杠杆的作用:“给我一个支点，我可以撬动地球”。 4)鉴定王冠：传阿基米德在洗澡时发现了鉴定王冠的纯金成分的方法，并在国王和大臣面前进行了表演：他先把一块与王冠重量相等的纯金放进一个盛水的容器中，称出溢出水的重量，接着再对王冠重复上述过程，发现溢出的水比前者多，从而说明王冠里掺进了比金轻（密度小）的金属。 另一种说法是：用等重的金块、银块和王冠，分别称出它们在水中的重量，算出它们在水中减少的量，即可断定王冠是否掺了假。

19. 杠杆实验图 意义：阿基米德的力学研究方法具有“一般”的意义。阿基米德不仅提出了著名的浮力定律和杠杆原理，他在得出这两个原理的过程中所采用的公理化方法(将实验和数学推理结合起来)也成为近代甚至现代物理学研究的重要方法之一。

20. 二 光学知识 欧几里德（约前330—前275）建立的优美的几何演绎体系，是古代数学乃至整个数学史上的最伟大成果之一。他将几何学引入到光学研究，将光学看作是几何学的一个分支，著有《反射光学》，确认光的直进性，并建立了光的反射定律。确定了凹面镜的聚焦点在球心或在球心与球面之间。但他却认为视觉的产生是从人眼睛发射出的光线被物反射回来的结果。 希隆（前150—前100）：用光程最短原理论证了光的反射定律。 应用： ①著名天文学家阿里斯塔克（约前310—230）： 测量日地距离和月地距离之比； ②埃拉多塞（约前270—前196）测量地球周长等。

21. 1.阿里斯塔克测量日地距离和月地距离之比： 当月亮恰为半月时，日月地构成直角三角形：日-地间的直线为斜边，日-月和月-地间的直线均为直角边，他测得月-地边和日-地边之间的夹角，进而得出日-地间的距离为月-地间的距离的20倍（实际为400倍）。 在月蚀时，地球的影子投射到月球上，阿里斯塔克根据这个影子的大小，计算出月亮的大小（因为已知月-地距离），得出月亮直径约为地球直径的一半（实际为1/4），而太阳直径约为地球直径的10倍（实际为100倍）。 在阿里斯塔克的计算中，测量问题未能解决的很好，所以其数据误差很大，但其研究方法是正确的，惊人的。

22. 启 明 之 光: 二. 古 希 腊 时 期 的 物 理 进 展 2.埃拉多塞(公元前270-公元前196)：用三尺长的竹竿测地球周长。 埃及的尼罗河旁有两个城市赛恩和亚历山大，由于已修路，联系比较便利。在塞恩有一口很深的井，夏至那天，阳光会照到井底，而阳光同时在亚历山大对竹竿将有一个投影，我们可测出θ角，根据几何关系可知，∠AOS=θ，OS=0A为地球半径，则：

23. 在埃及: 阳光 A S O A:亚历山大 S:赛恩 启 明 之 光: 二. 古 希 腊 时 期 的 物 理 进 展 1stadia=158.5米 L≈39000千米 现在测量数据约为40000千米 折算出的地球周长与当今的计算值相差仅几百公里。

24. 一 阿拉伯人的物理成就 1.阿勒—哈增（965—1038） 著有《光学全书》：研究了眼睛的结构，如“网膜”、“角膜”、“玻璃状体”、“前房液”等术语均出自于他。 认为视觉是光线从物体发出进入人眼所致； 认为光的入射线、反射线和法线都在一个平面内； 研究了球面镜、抛物镜成像问题； 正确解释了太阳、月亮在地平线附近看起来较大的原因。 第四节 中世纪的物理学知识

25. 2.阿勒•哈兹尼（12世纪人）著有《智慧秤的故事》：2.阿勒•哈兹尼（12世纪人）著有《智慧秤的故事》： 由一根带有5个秤盘的杆秤，可以测量空气中和水中物体的重量,从而编出比重表；发现了水的比重随温度的不同而不同；发现空气有重量，因而阿基米德定律在空气中也适用；指出大气的密度与高度有关；提出物质的量与重量不同，两者成正比关系；他还用路程与时间之比表示速度。 二 欧洲人的研究工作 阿拉伯在8-9世纪开始大量翻译希腊的经典著作。从10世纪中叶开始，欧洲一些学者，将阿拉伯文的书翻译成拉丁文。到12世纪，翻译活动形成了更高的浪潮。这种翻译活动为后来的文艺复兴和科学革命准备了学术上的重要条件。 另一重要事件是大学的建立。12世纪，在欧洲建立了牛津大学、巴黎大学和波伦亚大学；后来人们仿照这三所大学又建立了一些大学，同时在大学内又相继成立了一大批专门的学院，这些学院对中世纪晚期学术发展发挥了重要作用。

26. 1.罗吉尔•培根（约1214--1294）的研究 英国人，是13世纪杰出的科学家。大胆同迷信、反动教会作斗争，是近代自然科学的先驱。他提倡： ①倡导实验方法研究自然 他是当时唯一旗帜鲜明地主张科学实验的人。通过实验培根发现了火药的成分；发明了暗室；用光线在雨滴中的折射解释了虹的成因；提出用平凸透镜制成望远镜的设想；研究过蒸汽的作用，并预言可以造出不用人力浆的航船，不用马拉的自动行驶的车，以及能在天上飞行的装置等。 ②重视对数学的研究 实验方法和数学方法相结合是近代物理学产生的重要支柱。这种方法在西方始于阿基米德，经培根提到原则的高度，预示着近代科学即将诞生。

27. 培根的思想远远超过了他的时代，并写了很多著作。由于培根的科学思想为当时的教会所不容，在教会的严格监视下，培根在巴黎寺院里生活了10年，后来又被关进监狱14年之久，出狱后两年便与世长辞。他的主要著作《大著作》、《小著作》、《第三著作》等也没有流传，只有其中一小部分以手抄本的形式保留下来。培根的思想远远超过了他的时代，并写了很多著作。由于培根的科学思想为当时的教会所不容，在教会的严格监视下，培根在巴黎寺院里生活了10年，后来又被关进监狱14年之久，出狱后两年便与世长辞。他的主要著作《大著作》、《小著作》、《第三著作》等也没有流传，只有其中一小部分以手抄本的形式保留下来。 2.冲力说6世纪时的斐劳波诺斯在注释希腊著作时，曾批评了亚里士多德的空气动力说，同时提出“无形注入的力”。他否认天体的运动是神灵推动的，而是上帝在初始时就赋予天体的一种力。靠着这种力来维持天体的运动，这种力是永恒的。14世纪牛津大学的威廉和巴黎大学校长布里丹又发展了“无形力”思想，提出“冲力”概念，并认为冲力的大小与物体的密度、体积、速度成正比。这正是冲量的初步概念。

28. 3.运动学的研究 在分析落体运动时，布里丹等和其他学者一样，也认为重量是运动变化的第一原因 。重力可使物体下落，同时也产生冲力的累积和增加；这种连续的增加，导致物体速度的持续增加。 14世纪早期，在牛津大学的梅顿学院，一批学者也开始讨论运动问题，并定义了匀速运动和匀加速运动（后来伽利略直接利用了这些定义）。提出了平均速度定理：一个物体，从静止开始均匀加速，在一定时间内运行一段距离。如果同一物体在同一时间间隔内用等于它的匀加速时间间隔的中点的瞬时速度作匀速运动，它将通过相等的距离。这是中世纪物理学研究的最重要成果之一。

29. 1350年前后，巴黎的尼古拉•奥雷斯姆在《论性质的构形》中对平均速度定理给出了最完美的证明： S∆ABC=S ABGF AB轴表示时间，AC轴表示速度 奥雷斯姆的证明在14—15世纪的欧洲广为人知。这对以后伽利略关于运动的研究应有深刻影响。 另外，萨可森的艾尔波特也曾指出，两个大小不同因而重量不同的同质物体在虚空中将以同等速度下落。这都为伽利略关于运动的研究打下了基础。 总之，中世纪晚期的物理学研究已取得了很大的进步，并且为近代物理学的建立创造了一定条件。

30. 古印度天文台 启 明 之 光: 三. 古 印 度、巴 比 伦 和 阿 拉 伯 的 贡 献 4.古印度、巴比伦和阿拉伯在天文学、数学方面的贡献： 据载，古印度发现了十进制记数法，经阿拉伯传到欧洲，逐步演变为当今的“阿拉伯记数”。在祖冲之之后1000年，阿拉伯数学家求得圆周率π，准确到小数点之后17位。

31. 第五节. 亚里士多德的物理学 一.古代物理学的特点 二.亚里士多德的物理学

32. 一.古代物理学的特点 亚 里 士 多 德 的 物 理 学：一. 古 代 物 理 学 的 特 点 1.物理现象虽被发现和记录下来，但未形成系统的理论。 2.受神学的支配很强。 3.天才的臆测建立在笼统的直觉观察之中。

33. 亚 里 士 多 德 的 物 理 学：二. 亚 里 士 多 德 的 物 理 学 二.亚里士多德的物理学 1.亚里士多德（希腊，约公元前384-公元前322）: 出生于希腊北部的一个城邦，靠近马其顿，据说是马其顿国王私人医生的儿子，18岁进入柏拉图学园 ，并在此学习和工作了20年之久。柏拉图死后，亚里士多德离开了学园，不久到了马其顿，任宫廷教师，约在公元前342年，他成为王子亚力山大的私人教师。公元前335年，又回到雅典，创办了吕克昂学园。亚里士多德的研究很广泛，建立了一个庞大的理论体系，被称为“学术理论帝国”。他系统研究了逻辑学、政治学、论理学、文学、天文学、物理学、生物学等，著述甚丰，据说上千卷。在科学领域里起着奠基性的作用。

34. 亚 里 士 多 德 的 物 理 学：二. 亚 里 士 多 德 的 物 理 学 2.主要观点 1)提出物理学名称的第一人，强调科学分类。 2)若物体不受力，运动即停止。力是运动的原因。 3)物体越重，下落速度应该越大。 4)地球是宇宙的中心，太阳、行星和月亮围绕它转。 亚氏观点从归纳日常生活出发，加上哲学思辩，后来发展为经院哲学，成为自然科学的障碍。 经院哲学: 西欧中世纪主要哲学思想的总称。因产生于天主教的学院，故称经院哲学。主张理性服从信仰，目的在于论证基督教的教条，维护教会和封建主的统治。主要代表为托马斯·阿奎那。 宣扬科学的根本目的在于适应神学。

35. 亚 里 士 多 德 的 物 理 学：二. 亚 里 士 多 德 的 物 理 学 3.被利用 亚氏的某些观点符合封建与宗教统治者的利益，统治集团将其抬到吓人的高度。 僧侣主义扼杀了亚里士多德学说中活的东西，而使僵死的东西永世长存。 ——列宁