【正文】 士多德的落體理論。他指出，體積相等而重量不同的兩個物體認同—高度自由落下時其速度比等于這些物體的重量比；比如，兩物體重量比為1：10，則其下落速度比也是1：10。他指出，若兩個重量、大小不同的物體捆在一起，其下落速度有兩種相反的可能：(1)由于兩物體總重量均大于其中任何一物重量，故捆在一起時下落速度比兩物體中較重的物體單獨下落時速度要快；(2)由于兩物體一輕一重，捆在—起時較輕者牽制較重者的下落速度，因此聯(lián)合體下落速度大于較輕者而小于較重者。據(jù)傳伽利略作過比薩斜塔實驗，但沒有原始記錄作證據(jù)。 伽利略在《關(guān)于兩種新科學(xué)的對話》(The dialogues concerning twonew sciences)中不僅反駁了亞里士多德的運動觀念，而且討論了勻速運動、加速運動、單擺和拋射體運動的規(guī)律?！标P(guān)于勻加速運動，則是指“運動質(zhì)點在相等的時間間隔里獲得相等的速率增量”。伽利略將拋物體運動分解為水平方向的勻速運動和垂直方向的勻加速運動，從而證明了意大利數(shù)學(xué)家塔爾塔利亞(Niccolo Tartaglia，1499～1557)早期的發(fā)現(xiàn)：拋物體仰角為45。他第一個成功地證明了炮彈的運動軌跡是一條拋物線。這些思想連同他對勻速和勻加速運動的定義—起，為牛頓的運動第一和第二定律的最終表述奠定了基礎(chǔ)。傳說這是1582—1583年他在比薩大學(xué)學(xué)習(xí)時，在比薩教堂觀察吊燈時發(fā)現(xiàn)的。但在1602年信件中他的確提到了單擺實驗，而在《關(guān)于兩種新科學(xué)的對話》中他詳細地描述了這些實驗及其結(jié)果，證明單擺周期不依賴于擺的重量和材料，而和擺的長度的平方根成比例。 由于伽利略想要發(fā)現(xiàn)的不是物體為什么運動(降落)，而是怎樣運動(降落)，并通過實驗揭示廠其中的數(shù)學(xué)關(guān)系，這就使得從他開始，時間與空間在物理科學(xué)中具有了根本性的意義。二．開普勒三定律的發(fā)現(xiàn)1609～1619間，德國天文學(xué)家開普勒(Johannes Kepler，1571～1630)利用他的老師、丹麥天文學(xué)家第谷開普勒第一定律亦稱行星軌道定律。 開普勒第二定律又稱行星運動面積定律，它指出在相等時間內(nèi)行星與太陽聯(lián)線所掃過的面積相等。開普勒的工作以準(zhǔn)確的觀測數(shù)據(jù)為依據(jù)，他的結(jié)論無可爭議。開普勒因此被譽為“天空的立法者”。同時，它更進一步把天體運動的物理機制問題擺在人們面前：行星的運動軌道為什么是橢圓形?維持這些運動的力是什么?如此等等。在他們的啟發(fā)下，開普勒提出了天體磁性引力假說。開普勒的假說雖然并不正確，但他揭開了天體力學(xué)研究的序幕。天體力學(xué)的問題得到了有關(guān)地面上的物體運動的研究成果的啟發(fā)，這就是惠更斯和胡克等人的工作。這個向心力的大小與該物體的運動速率的平方成正比而與圓周的半徑成反比，即向心力（這里m是物體的質(zhì)量，v是物體的旋轉(zhuǎn)速率，r是圓周的半徑）。英國科學(xué)家胡克（Robert Hooke,1635～1703）就是這樣想的。1680年他更提出了這種引力的大小與距離的平方成反比的猜測。 牛頓力學(xué)體系的建立一．近代最偉大的科學(xué)家——牛頓伊薩克他12歲進入文科中學(xué)讀書時就顯示出制造機械工具及其模型的天才。在念文學(xué)士學(xué)位過程中，他完全依靠自修而攻讀了數(shù)學(xué)與光學(xué)的名著以及天文學(xué)和力學(xué)等方面的最新成果，并于1665～1666年在家鄉(xiāng)躲避倫敦一帶的瘟疫期間發(fā)明了二項式定理的流數(shù)法，實現(xiàn)了對光的分解，并向萬有引力定律的建立邁出了頭幾步。不久他制造了反射式望遠鏡。但牛頓的光微粒說卻受到主張波動說的胡克的批評，由此引發(fā)了科學(xué)史上著名的波動說與微粒說之爭。在哈雷和皇家學(xué)會的推動下，他從此進入了對理論力學(xué)進行緊張研究的時期，并以1687年7月他的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書的出版而達到高潮。加之他的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》不提上帝和蘊涵“反神創(chuàng)論”傾向受到宗教界和部分科學(xué)家的抨擊和反對，以及胡克1692年向皇家學(xué)會提出萬有引力定律發(fā)現(xiàn)權(quán)問題，導(dǎo)致性格孤僻而內(nèi)向的牛頓因過度苦惱而神經(jīng)哀弱以致失常。但近40年當(dāng)中，他幾乎沒有什么突出的科學(xué)成就。他是英國歷史上第一個獲得國葬待遇的科家家。他孜孜不倦地研究光線的各種折射率及其所產(chǎn)生顏色的種種性質(zhì)。他的哲學(xué)中確認了上帝的尊嚴，他的行為中展現(xiàn)了真正的純樸?！蹲匀徽軐W(xué)的數(shù)學(xué)原理》就是這個體系的集中表現(xiàn)。此間他受到當(dāng)時一些著名物理學(xué)家(如哈雷和胡克)的幫助或啟發(fā)；并借助了一些重要的天文觀測結(jié)果，如皮卡特1679年關(guān)于緯度對應(yīng)的地球表面長度的測定值，從而在伽利略地面力學(xué)和開普勒天體力學(xué)成就的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律?！钡拇_如此。不僅如此，1666年牛頓還從伽利略的拋射體運動中得到啟發(fā)，去思考“月亮為什么不下落”的問題。牛頓的探索是在上述思考基礎(chǔ)上，以1665～1666年離心力定律()的提出而宣告開始的。)緊接著，他從這一定律和開普勒第一與第三定律中推出了圓形軌道上天體的引力平方反比關(guān)系。其二，天體是實體，怎樣來計算所有物體的任何部分所產(chǎn)生的吸引力的聯(lián)合作用?其三，牛頓當(dāng)時還不能肯定是否應(yīng)該由地心開始計算月地距離，因為這牽涉到地球?qū)υ虑虻囊κ欠裥型厍虻娜抠|(zhì)量都集中于地心。然后，在發(fā)現(xiàn)運動第二定律的基礎(chǔ)上，把它用于萬有引力問題，從而得出萬有引力與相互作用物體的質(zhì)量乘積的正比關(guān)系。運動三定律所描述的是物體(包括天體和地上的物體)力學(xué)運動的規(guī)律，它和萬有引力定律一樣是經(jīng)典力學(xué)的基本定律。牛頓是經(jīng)典力學(xué)的集大成者，所以經(jīng)典力學(xué)又稱牛頓力學(xué)。伽利略雖然提出了慣性運動的思想，但是他相信宇宙是一個球形的封閉的空間，因此不能設(shè)想一個無限大的平面。牛頓突破了伽利略的局限，終于發(fā)現(xiàn)了慣性定律。這就是說，力是改變物體運動狀態(tài)的原因，或者說，力是使物體的運動狀態(tài)發(fā)生變化，即產(chǎn)生加速度的原因。在自然界中，物體不受任何外力作用的情況實際上是不存在的，但只要它所受到的外力相互平衡，便可看作是外力為零，此時該物體或者是保持靜止不動，或者是保持原油的運動狀態(tài)。在日常生活中，物體的運動必受阻力（如摩擦力）的制約，要維持等速運動就得有一個力來克服阻力，這個力與阻力必定是大小相等而方向相反的，其實這時作用于該物的外力應(yīng)視為零。運動第二定律 運動第一定律所表述的是力的概念和力與物體運動關(guān)系的定性的認識，運動第二定律給我們展示的則是力與物體加速度之間的定量關(guān)系。(他把物體的“運動量”定義為該物體的質(zhì)量與它的速度的乘積。對于勻加速運動， 即單位時間里速度的變化，這也就是伽利略所引入的加速度的概念。 根據(jù)運動第二定律，我們就可以很容易解釋為什么一切物體的自由下落都有相同的加速度了。由萬有引力定律，可知(M是地球的質(zhì)量，m是該物體的質(zhì)量，R是地球的半徑。這就表明一切自由落體的加速度a都是相同的。有了運動第二定律，只要我們知道作用于一物體上的力，就可以據(jù)此求出此物體所獲得的加速度，即可以知道這個力使該物體所產(chǎn)生的運動狀態(tài)的變化(包括它的大小和方向)；反之，如果我們知道一個物體的運動狀態(tài)發(fā)生了某種變化，也就可以斷定必有一個力作用于該物體，并且可以準(zhǔn)確地計算出這個力(包括它的大小和方向)。運動第三定律 運動第三定律也是在碰撞運動的研究中弄清楚的。這就告訴我們，在碰撞前和碰撞后兩個小球動量的變化量在數(shù)值上是相等的。已知 可知 兩球碰撞時它們相互作用的時間是相同的，即 相等。牛頓據(jù)此進一步指出：當(dāng)物體A施力于物體B時，物體B同時也施一反作用力于物體A，作用力與反作用力大小相等，方向相反，并且作用在同一條直線上。運動第三定律告訴我們，自然界中沒有孤立存在的單個的力，一個孤立的物體無所謂施力或受力，力總是存在于兩個相互作用的實體之間，不管力是通過直接接觸(如推力、拉力)還是不通過直接接觸(如磁力、萬有引力)，它總是成對出現(xiàn)，同時出現(xiàn)，它們作用在一條直線上，大小相等，方向相反，這兩個力分別施加于相互作用的兩個物體之上，它們的力學(xué)效應(yīng)并不互相抵消。例如我們用一根繩子牽一頭牲口，就會感覺到這頭牲口通過繩子在拉我們。比如物體自由下落，我們知道這是因為地球的引力作用于該物體的原故。月球圍繞地球旋轉(zhuǎn)是因為它受到地球給它的引力，月球同樣也有一個大小相等方向相反的引力施加于地球。在發(fā)現(xiàn)萬有引力定律和運動三定律的基礎(chǔ)之上，牛頓仿效古希臘人的作法，把力學(xué)知識整理成為一個演繹知識體系，1687年出版了《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》這部名著，標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)的成熟。它表明人類關(guān)于自然界的認識已推進到一個新的階段，標(biāo)志著自然科學(xué)已形成了自己獨立的知識體系。(2)經(jīng)典力學(xué)把人們對機械運動的研究從運動學(xué)提高到動力學(xué)的水平。動力學(xué)的任務(wù)則在于揭示物體運動的力學(xué)原因及其力學(xué)后果。牛頓成功地完成了建造動力學(xué)的任務(wù)，從而使人們能夠全面地把握機械運動的規(guī)律。過去人們只能把握運動的某一個過程，這對于處理勻速運動、勻加速運動(如自由落體運動)或加速度的大小不變而方向均勻變化的運動(如圓周運動)這類比較簡單的運動尚可，對于加速度復(fù)雜變化的運動便無能為力。(4)經(jīng)典力學(xué)把原來只能孤立地研究的力學(xué)事件聯(lián)系了起來，使它們成為因果的鏈條。反之，如果我們發(fā)現(xiàn)某物體的運動狀態(tài)發(fā)生變化以及它的變化狀況，我們也就知道它受到一個力并且知道它受到的是什么樣的力(包括它的大小和方向)，而且也知道它必定對外界施加了一個什么樣的力(包括它的大小和方向)。(5)我們說過，以往的自然知識都包容于自然哲學(xué)之中。第三節(jié) 經(jīng)典物理學(xué)的全面發(fā)展物理學(xué)是自然科學(xué)最重要的基礎(chǔ)學(xué)科之一。至18世紀，只有經(jīng)典力學(xué)已趨成熟，幾何光學(xué)也有了一些輪廓，其他分支則還未成形，基本上還得從收集事實、積累材料做起。經(jīng)典物理學(xué)的許多成果轉(zhuǎn)化為前所未有的技術(shù)，深入到生產(chǎn)、生活各個領(lǐng)域，迅速地改變了整個人類社會的面貌，表現(xiàn)出了科學(xué)的巨大威力。中世紀偉大的數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家伊本但總的來說，古代與中世紀的光學(xué)知識是極其有限的。開普勒是近代光學(xué)的奠基人，其地位如伽利略之于力學(xué)和吉爾伯特之于磁學(xué)。開普勒第一次明確提出光度學(xué)基本定律，即光強與離光源的距離平方成反比地變化。關(guān)于視覺理論，他還提出視網(wǎng)膜上的成像本身不構(gòu)成整個視覺行為的正確思想。第一位提出精確的折射定律的是荷蘭人斯涅爾(W．Sncll，1591—1626)。在發(fā)表有關(guān)折射定律的這本《屈光學(xué)》中，笛卡兒還提出丁關(guān)于光的本性的微粒假說。關(guān)于光的本性的波動說，在達但正式認真地提出光具有周期性的是意大利數(shù)學(xué)家格里馬力迪(F．F．Grimaldi，1618—1663)。他還指出，顏色的不同乃是眼睛受到速度不同的光振動刺激的結(jié)果，這個思想對后來的光學(xué)發(fā)展具有根本性意義。在同一年(1665)，胡克的科學(xué)著作《顯微術(shù)》問世，其中光學(xué)部分對多種透明薄膜的閃光顏色現(xiàn)象進行了實驗和理論的探討。雖然他未能確定厚度與顏色之間的精確關(guān)系，卻為牛頓對“牛頓環(huán)”現(xiàn)象的研究奠定廠基礎(chǔ)。不過，比較系統(tǒng)地提出光的波動理論的還是荷蘭物理學(xué)家惠更斯(1629～1695)。這就是1678年提出的著名的惠更斯原理。牛頓在大學(xué)時期就對光學(xué)有濃厚興趣，為了制造一種能消除色差的望遠鏡而開始研究顏色理淪。他對色散的解釋立即引起他與胡克等人的爭論。但他拒絕純粹的波動理論。由于他在科學(xué)界的巨大影響，而使惠更斯提出的較系統(tǒng)的波動說被埋沒百年之久，以致整個18世紀光學(xué)處于停頓狀態(tài)。 熱學(xué)的成就在近代，對熱現(xiàn)象的研究是從測量“熱度”開始的。為了能精確地測量熱度，許多科學(xué)家都致力于溫度計的研制。阿蒙頓大約在1700年發(fā)明的空氣溫度計，是一個相當(dāng)大的進步。加比爾以水的冰點和沸點作為固定點的百分溫標(biāo)，是1742年由瑞典人安德斯至于在0和100之間插入數(shù)值的精確性問題，1 9世紀才被提出和加以研究。力學(xué)已經(jīng)達到能夠計算行星運動的階段時熱學(xué)理論仍然處在原始的水平。培根在《新工具》中正確地指出：“熱是向外擴張而又受了限制的一種運動，熱的精英和本質(zhì)就是運動，并不是別的。洛克也說明：“熱是物體中各部分難以察覺的非?；顫姷臄噭?，我們所感覺的熱，除了物體中的運動以外，別無其他。在對熱現(xiàn)象進行大量研究的基礎(chǔ)上，英國化學(xué)家布萊克等人提出了熱質(zhì)(素)說。熱質(zhì)說能解釋許多已知的熱現(xiàn)象，因而在18世紀成為一種主流的理論，它的確立和當(dāng)時的科學(xué)發(fā)展水平和機械自然觀有很大的關(guān)系。今天已成為熱力學(xué)的基本課題—一熱的定量測定，直到19世紀才開始。布萊克(JosephBlack，1728—1799)在溫度和熱量之間，畫出一條明顯的界限；他引入了卡路里、比熱、熱容量、熔解熱和潛熱等術(shù)語。與此同時，熱的唯動說還沒有完全被放棄。伯努利(Danier Bernouli，1700—1782)的《流體動力學(xué)》(1738)與當(dāng)時流行的觀點相反，它把熱歸結(jié)為分子的相互排斥?？墒钱?dāng)時熱質(zhì)說占優(yōu)勢，擁護者中包括權(quán)威拉瓦錫，他甚至把卡路里納入化學(xué)元素表。西蒙和拉普拉斯由于用冰量熱器進行測量，從而對量熱術(shù)作出了貢獻。湯姆遜即倫福德(Bejamin Thomp—son，即Rumford，1753—1814)批判了熱質(zhì)說。焦耳從這些測量數(shù)據(jù)中，推導(dǎo)出熱功當(dāng)量的數(shù)值。他推論，如果熱全然是一種物質(zhì)，那么無論如何，它必是沒有重量的一種物質(zhì)。戴維支持倫福德對熱質(zhì)說的批判，他認為熱素是不存在的，熱現(xiàn)象的直接原因是運動。提出“卡諾循環(huán)”概念的卡諾在研究熱機效率問題時還用熱素的撞擊來解釋熱機的運轉(zhuǎn)。直至克勞修斯證明理想氣體的絕對溫度是由分子的平均動能所決定，焦耳確立了熱功當(dāng)量，以及能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的提出，才牢固地確立了熱的唯動說。18世紀末葉以來，人們相繼發(fā)現(xiàn)了許多不同物質(zhì)運動形式相互轉(zhuǎn)化的事例。1800年人們發(fā)現(xiàn)電解水可以得到氫和氧，知道了電運動可以產(chǎn)生化學(xué)變化；同年發(fā)明的伏打電堆(一種原始電池)又表明化學(xué)變化能夠產(chǎn)生電。摩擦(機械運動)生電的現(xiàn)象是人們早就知道了的,1820年人們又知道電和磁可以相互轉(zhuǎn)化,次年更知道了電與磁的聯(lián)合作用能夠產(chǎn)生機械運動。經(jīng)過一大批科學(xué)家的努力，作為自然科學(xué)的基石之一的能量守恒與轉(zhuǎn)化定律終于確立?！彼橇D找到機械功與熱能在量上的對應(yīng)關(guān)系——熱功當(dāng)量的第一人。他的數(shù)據(jù)雖然都不大準(zhǔn)確，但有開創(chuàng)性的意義。遭到冷落的邁爾痛苦萬分，甚至憤而自殺，幸而未死，后來又曾被送入瘋?cè)嗽航邮苤委?。英國業(yè)余科學(xué)家焦耳(James Prescott Joule，1818～1889)從少年時代起就對科學(xué)有濃厚的興趣，一生在家里做過許多科學(xué)實驗