科学史纲要第10讲近代科学革命牛顿.ppt

第九讲 近代科学革命牛顿,微积分,微积分是微分和积分的合称。 微分：求变化率（斜率、瞬时速度） 积分：求积（曲线长、面积、体积） 跟乘法和除法一样，微分和积分两之间互为反运算。所以合起来一起研究，称之为微积分 而微积分的问题，尤其求积分的问题，自古希腊以来就一直吸引着数学家们的兴趣,积分：阿基米德求圆周率（穷尽法）,由圆的内接正六边形出发，先算其周长，做为圆周长的一个近似值，然后再由此周长计算内接正十二边形的周长，作为圆周长更精确的近似值，如此边数逐次倍增，则所得周长仍小于圆周长，却越来越接近圆周长 同时阿基米德用外切正多边形从外面逼近圆周长 一般而言，如果正n边形和正2n边形Sn和S2n之间有代数关系 ，只要知道Sn，则可知S2n 当内接及外切正多边形的边数为96时，阿基米德得到了他的圆周估计值,17世纪新问题,已知物体移动的距离表示为时间的函数的公式，求物体在任意时刻的速度和加速度；或者反过来，已知物体的加速度表示为时间的函数，求物体在任意时刻的速度，或已知物体速度表示为时间的函数，求物体在任意时刻的移动距离注意，上述问题如果对于匀速直线运动来考虑，当时的数学工具已可以解决，但当时天文学、力学等涉及许多非匀速运动，大多数也不是直线运动，所以要求新的数学工具 已知曲线求其切线这不仅是几何学的问题，而且也是许多其他科学问题的要求：物体作曲线运动时，在每一瞬间的速度方向是该曲线相应的点的切线的方向；在光学中对光的折射和反射的研究要求出界面的法线方向，法线方向是由切线方向决定的 已知函数求函数的极大值和极小值这与天文学和力学都有关，例如求行星运行的近日点和远日点，抛射体的最大射程和最大高度等问题都可归结为这种类型的问题 求曲线的长度这是以计算行星或曲线运动的物体走过的路程为背景的；求曲线围成的面积，以计算行星扫过的面积（见前开普勒定律的计算）为代表；求物体的重心、求两个天体之间的引力等问题,穷尽法,动态无穷法,卡瓦列利：不可分量原理（无穷小）,设三角形ABC与三角形DEF等底等高，设B'C'、 E'F'分别是平行于BC、EF的线段。且距底边等高，则由比例可知：B'C'=E'F' 注意到B'C'、E'F'是任意的，其长度一直由BC和EF一直逼近到点A和点D。 既然三角形ABC三角形DEF分别由相等的线段B'C'、E'F'所组成，所以两三角形应该有同样的面积,卡瓦列利：不可分量原理（无穷小）,如果两个平面图形夹在同一对平行线之间，并且被任何与这两条平行线保持等距的直线截得的线段都相等，则这两个图形的面积相等。 类似的，如果两个立体图形处于于对平行平面之间，并且被任何与这两个平行平面保持等距的平面截得的面积都相等，则这两个立体的体积相等,以椭圆的短轴为半径做圆，做任一直线平行于长轴而得到椭圆的截线LL'及圆的截线MM，由坐标的计算可知LL'与MM'比值固定，所以由卡瓦列利原理可知,瞬时速度,瞬间速度就是瞬间的平均速度。但是瞬间到底是多短呢？如果瞬间没有长度，则在这瞬间内距离没有什么变化，所以 不是数，自然不能表示速度，所以此路不通。 但是如果瞬间一定要有长度，但所谓的长度如果是通常观念中的长度，那么它的一半不也是长度吗？那么瞬间怎么还能称作瞬间呢？此路也不通。 那么瞬间是到底是什么呢？ 有人想出绝招说：“瞬间的长度为无穷小”,微积分基本定理,动态无穷法虽然使得求积进了一大步，可是繁复的步骤已经求和、求极限的困难，都限制了它的应用范围。 无穷小的方法虽然好使，但是用起来又太灵活了，基本无固定的规则可言，数学家使用的时候，什么时候保留，什么时候削去，基本是靠直觉“猜”出来的。 而微积分基本定理的发现，就是说求积是求变化率的反运算，所以会求变化率就能解决很多求积的问题，而微分学有系统的发展后，求变化率的计算就变成远较求积简单的一种运算。,牛顿的贡献,假设某曲线y=f(x) 下的面积为z，z和x的关系为z=axm， 如果x增加了一点，这个可以用无穷小量o来表示，则面积增加了 oy，（由此亦易知，y值刚好就是面积在增加了这么一点的时候的变化率，yz/x），于是有 z+oy=a(x+o)m。 右边以二项级数展开得z+oy=a(xm+mxm-1o+含有o2的项) 消去z=axm，再去掉o，则得 y=a(mxm-1+含有o的项) 再去掉含有o的项，得y=amxm-1 面积z在任意点x的变化率， 正是曲线在x处的y值（amxm-1） 而曲线y=amxm-1下的面积是axm,o,yz/x,牛顿提出的这种思想有两个新的内容 通过考虑在x点处的面积的瞬时增量得出面积的表达式，而不采取过去的那种用无限小面积之和来求面积的表达式的方法也就是说，牛顿把确定变化率作为基本的步骤，换言之，以导数作为基本概念来定义积分 他证明了过去被看成无限小面积之和的面积能够通过一点的变化率由微分（求导数）的逆过程得到，这一事实就是我们现在所说的微积分基本定理 但是牛顿的这种方法中有一个重要的逻辑问题：瞬间是什么？瞬间是一个无限小量，不可分的量,牛顿的生平简介,艾萨克·牛顿生于旧历1642年12月25日（新历43年1月4日），早产、遗腹子，喜摆弄小玩具、小机械，做过风车、灯笼、日晷，性情孤僻。 12岁进中学，因寄宿在药剂师家里而学会了化学实验。 1661年，18岁的牛顿进入剑桥大学深造。导师普林卢卡斯，首任教授巴罗。在巴罗指导下牛顿阅读了开普勒的光学、笛卡尔的几何学和哲学原理，伽利略的对话，胡克的显微图。掌握了最前沿的数学知识和光学知识。,牛顿的生平简介,1665年初大学毕业，伦敦瘟疫，停学回家。11月，发明流数运算法（微分运算） 1666年1月，颜色理论，5月反流数运算（积分运算），同年推出平方反比例公式。 1667年回到剑桥，当选为三一学院的研究员。 1668年获硕士学位 1669年受巴罗教授推荐接任卢卡斯教席，27岁。发现太阳光并非单色光，而是多种光的合成。相信折射式望远镜必定会出现色差。,牛顿的生平简介,1671年向皇家学会提交反射式望远镜，成为会员。1672年当选为院士（30岁）。发表论文光与色的理论，展开与胡克的论战。 “笛卡儿（的光学研究）迈出了很好的一步。你在一些方面又增添了许多，特别是对薄板颜色进行了哲学考虑。如果我看得更远一点的话，是因为我站在巨人的肩膀上。” 1676年因莱布尼茨发展微积分，而开始了两人在信件往返与在期刊中公开论战，一直持续到1716年莱布尼茨去世为止。 1684年8月哈雷请教牛顿在与距离平方反比的力作用下行星做何运动。11月牛顿给出透彻数学证明论运动。 1686年完成自然哲学的数学原理，1687年7月以拉丁文初版问世。,牛顿的生平简介,1689年担任国会议员 1695年接受皇家造币厂督办新职，迁居伦敦。 1699年升任皇家造币厂总监。 1701年11月再度担任国会议员，12月正式辞去卢卡斯讲座教授。 1703年当选为皇家学会主席。 1704年出版光学。 1705年赐封为爵士。 1724年放弃造币厂总监与皇家学会主席职务。 1727年3月20日睡梦中去世。,自然哲学的数学原理,导论：包括定义（质量、动量、惯性、力）、运动的三定律及相关的说明。绝对时空概念、运动合成法则、力的合成与分解法则、伽利略相对性原理。 第一编：运用前面确定的基本定律研究引力问题 第二编：讨论物体在介质中的运动 第三编：“论宇宙体系”,导论:质量与力,定义一：物质的量是物质的度量，可由其密度和体积共同求出（质量） 牛顿发现一切物体在运动中都有某种共同的不变的东西，不管怎样运动，受到怎样的里，它的体积与密度的成绩都是保持不变的，这个不变的东西就是物质的量，研究物体的运动时，必须要考虑到它。 定义二：运动的量是运动的度量，可由速度和物质的量共同求出（动量） 定义三：Vis Insita，或物质固有的力，是一种起抵抗作用的力，它存在于每一种物体当中，大小与该物体相当，并使之保持其现有的状态，或是静止，或是匀速直线运动（惯性） 定义四：外力是一种对物体的推动作用，使其改变静止的或匀速直线运动的状态（力）,导论:绝对时间与绝对空间,绝对时间：均匀地流逝着而同任何外部事物无关 绝对空间：始终保持相同和不动 绝对运动：一个物体从一个绝对位置向另一个绝对位置的平移 惯性参照系：存在一组既不加速也不旋转的参照系。 没有受到外力的物体相对于惯性参照系做匀速直线运动。在惯性参照系中，以及在两个处于相对匀速运动中的参照系之间转换时，牛顿定律是普遍适用的。,导论:运动三定律,第一定律：每个物体都保持静止、或匀速直线运动的状态，除非有外力作用于它迫使它改变那个状态 第二定律：运动的变化正比于外力，变化的方向沿外力作用的直线方向 第三定律：每一种作用都有一个相等的反作用；或者，两个物体间的相互作用总是相等的，并且指向相反,第一编:万有引力,苹果落地启发了牛顿什么？ 把苹果拉向地面的力可能和维持月球在其闭合轨道上运动的力是同一种力。 检验的方法： 根据什么定律，重力随着与地球距离的增加而减少？ 根据这一定律和测得的在地球表面上的物体的加速度来计算，月球轨道处的重力加速度应该有多大? 假设月球的轨道是以地球为圆心的圆，计算月球的实际向心加速度是多少? 确定由2.和3.得出的加速度在数值上是否相等，从而可以认为两者是否由于同一种力的作用而引起,平方反比例定律 圆周匀速运动的物体线速度是v，周期为T，半径为r， 向心加速度为a，则有 av2/r v2r/T 又根据开普勒第三定律，有： T2 /r3k k为开普勒常数，于是有 a42/kr2 牛顿尝试用它来计算月球的轨迹， 可惜当时测定的地球半径是错的， 未能获得满意的计算结果，于是放弃,万有引力,万有引力,胡克、哈雷、里恩的咖啡馆聚会 牛顿的回答： 在平方反比例定律的力的作用下的轨道是一个以吸引体为焦点的椭圆。 如果围绕引力中心的运动是椭圆运动，而此引力中心是椭圆的一个焦点，那么该力一定是平方反比例的力 哈雷的鼓励+精确的地球半径值+牛顿的微积分技术 一个所有与球心等距离的点上的密度都相等的球体在吸引一个外部质点时，形同其全部质量都集中在球心。因此可以把太阳系各天体看作是有质量无体质的质点。 结论：存在着一种与所有物体相关的地心引力，这一引力与它们包含的物质的量成比例,万有引力的本质,笛卡尔：力是一个物体对另一个物体的挤压 （基于微粒碰撞的理念） 牛顿的力的概念：抽象的概念，对力的数学性质的描述 牛顿用抽象的力的概念统一了天上地下 伽利略以来的自然数学化传统 对万有引力的质疑：超距作用 牛顿：万有引力只是数学描述，不是物理层面的原因 机械论：超距作用无法还原成机械论模型 自然数学化与机械论哲学的张力,牛顿的方法：数学和实验的统一,一切哲学困难似乎都在于这一点：从运动的现象来分析自然之力，再从自然之力来证明其他现象。 通过实验对现象进行简化，抓住并精确确定一些基本概念（比如质量的概念），以及发现一些关于运动和力的比较简单的命题。（归纳方法） 对这些命题进行数学阐释。（演绎方法） 必须做出进一步严格的实验（经验主义），以便 证实这些推论在任何新领域中的可应用性，并且把它扔归结到最普遍的形式 在比较复杂的现象的情形中，检验可以得到定量处理的额外原因的出现并确定他们的值 在这些额外原因的本质依旧模糊的情形中，提出发展我们目前的数学工具的建议，以便更好的处理它们,“我不杜撰假说”,我认为这些原理不是神秘的属性，它们并不是从事物的特殊形式总结出来的，而是从自然界的普遍定律，事物自身也正是依据这些原理形成的；透过现象，我们可以看到它们的真理所在，尽管还不能发现它们的起因。因为这些现象是明显的属性，而它们的起因是神秘的。告诉我们每一物种天生具有一种神秘的具体属性，等于没有告诉我们任何东西。但是从现象总结出二三个运动的普遍原理，然后告诉我们一切物体的性质和作用是如何人遵循这些明确的原理的，这将是哲学上极大的进步，虽然我们并不知道这些原理的起因。因此我毫不犹豫地提出上述的运动原理，它们之涉及了一般的范围，而它们的起因留待进一步去探讨,“我不杜撰假说”,但至今我还没能从现象种找到万有引力属性的起因，我并没有杜撰任何假说；因为只有不是根据现象推导出来的才称为假说；而且无论是形而上学的或是物理的假说，也无论是神秘属性或机械论的假说，在实验哲学中都是站不住脚的 实验哲学= 自然数学化 机械论哲学 实验传统,近代科学的巅峰,自然数学化 机械论哲学（“我不杜撰假说”） 实验传统 牛顿的数学论证不能证明，在行星或者行星的卫星沿轨道运动的过程中，这些物体要受物理力的作用。牛顿只能说明，在力的概念框架中和惯性定律中，作用在行星和卫星上的力必然是径直指向中心，并且必然与距离的平方成反比而变化。也即，牛顿只谈力的数学性质，不谈力的原因 机械论哲学的高峰：牛顿主义者认为牛顿刻画的就是物理层面的原因，并试图将牛顿力学普遍化，把所有的物理现象还原成遵循牛顿力学的微粒运动。这个成为牛顿之后的物理学纲领,第二编：批判漩涡理论,根据开普勒第三定律，牛顿证明了一个漩涡决不会产生一个运动的行星系统。同时，一个漩涡也不可能是一个自持系统，如果整个空间充满这的物质稠密到足以通过其旋转而带动行星运转的话，如此强的介质阻滞力将会使宇宙的一切变慢。而只有当一个外力持续的使它的中心体旋转时，才保持匀速运动。 彗星的轨道是笔直的，笛卡尔的漩涡理论无法说明彗星如何从一个漩涡到另一个漩涡穿越整个体系,第三编：解决实际问题,证明太阳系的各天体是按照哥白尼学说和开普勒定律运动，天体的轨道取决于相互之间的引力 从理论上推算地球赤道部分隆起的程度，并指明月球和太阳引力对地球赤道部分的吸引是产生岁差现象的原因。 从数值上对月球运动的各种差项做了计算,