1、第四讲第四讲 近代后期科学技术概论近代后期科学技术概论一、天文学：一、天文学：(1)天文观测的新发现；天文观测的新发现；(2)赫歇尔的恒星天文学；赫歇尔的恒星天文学；(3)天体物理的兴起；天体物理的兴起；(4)天体起源和演化假说天体起源和演化假说:康德康德拉普拉斯星云假说和洛克耶的恒星演化理论；拉普拉斯星云假说和洛克耶的恒星演化理论；二、地质学：二、地质学：(1)水成论和火成论之争；水成论和火成论之争；(2)灾变论和渐变论之争。灾变论和渐变论之争。近代后期的科学成就近代后期的科学成就三、物理学：三、物理学：（1）能量守恒与转化定律）能量守恒与转化定律(热力学第一定律热力学第一定律)的发现的发现
2、v1842年，德国的青年医生迈尔年，德国的青年医生迈尔(J.R.Mayer,18141878)，写成了他的第一篇关于能量守恒和转化定律论文写成了他的第一篇关于能量守恒和转化定律论文论无机论无机自然界的力自然界的力。论文发往当时德国主要物理学年鉴杂志，。论文发往当时德国主要物理学年鉴杂志，结果被主编波根多夫拒绝发表而退了回来。虽然化学家李结果被主编波根多夫拒绝发表而退了回来。虽然化学家李比希主编的化学年鉴杂志比希主编的化学年鉴杂志1842年年5月号上发表了迈尔的论月号上发表了迈尔的论文，但并未引起人们的注意。文，但并未引起人们的注意。v1840年，年，22岁的英国物理学家岁的英国物理学家焦耳测定
3、了电流的热效应，发焦耳测定了电流的热效应，发现一定时间内电流通过导线所现一定时间内电流通过导线所产生的热量，同导线的电阻和产生的热量，同导线的电阻和电流强度平方乘积成正比。这电流强度平方乘积成正比。这就是著名的焦耳定律。就是著名的焦耳定律。v1843年，焦耳又做了一个实验，他把盛有水的容器年，焦耳又做了一个实验，他把盛有水的容器放进磁场中，然后让一个线圈在水中旋转，测量运放进磁场中，然后让一个线圈在水中旋转，测量运动线圈中感生电流产生的热和维持运动所消耗的能动线圈中感生电流产生的热和维持运动所消耗的能量。实验表明消耗的能和产生的热能与电流的平方量。实验表明消耗的能和产生的热能与电流的平方成正比
4、。因此，产生的热和用来产生的机械动力之成正比。因此，产生的热和用来产生的机械动力之间存在恒定的比例。焦耳把这一结果写在间存在恒定的比例。焦耳把这一结果写在论电磁论电磁的热量效应和热的机械值的热量效应和热的机械值。v亥姆霍兹、德国物理学家、生理学家，于亥姆霍兹、德国物理学家、生理学家，于1847年出年出版了版了论力的守恒论力的守恒一书，给出了对不同形式的能的一书，给出了对不同形式的能的数学表示式，并研究了它们之间相互转化的情况，从数学表示式，并研究了它们之间相互转化的情况，从而这部著作成了能量守恒定律论证方面影响较大的一而这部著作成了能量守恒定律论证方面影响较大的一篇历史性文献。篇历史性文献。v
5、几乎与迈尔、焦耳和赫尔姆霍茨的发现同时，英国几乎与迈尔、焦耳和赫尔姆霍茨的发现同时，英国业余科学家、律师格罗夫从对电的研究，也达到了能业余科学家、律师格罗夫从对电的研究，也达到了能量守恒和转化定律的发现量守恒和转化定律的发现 。v凯尔文完整系统的表述热力学第一定律凯尔文完整系统的表述热力学第一定律(能量守恒定律能量守恒定律)当一个系统的工作物质从某一给定的状态无论以何当一个系统的工作物质从某一给定的状态无论以何种方式过渡到另一给定状态时，该系统对外做功与传递种方式过渡到另一给定状态时，该系统对外做功与传递热量的总和是守恒的。即热量的总和是守恒的。即U=A+Q。其中：其中：U表示系统内能的变化；
6、表示系统内能的变化；A表示系统对外做的功；表示系统对外做的功；Q表示这个过程中系统传递外界的热量。表示这个过程中系统传递外界的热量。定律定律内容的理解：能量既不会凭空产生，也不会凭空消内容的理解：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。v能量守恒定律，是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。能量守恒定律，是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。从物理、化学到地质、生物，大到宇宙天体，小到原子核从物理、化学到地质、
7、生物，大到宇宙天体，小到原子核内部，只要有能量转化，就一定服从能量守恒的规律。从内部，只要有能量转化，就一定服从能量守恒的规律。从日常生活到科学研究、工程技术，这一规律都发挥着重要日常生活到科学研究、工程技术，这一规律都发挥着重要的作用。人类对各种能量，如煤、石油等燃料以及水能、的作用。人类对各种能量，如煤、石油等燃料以及水能、风能、核能等的利用，都是通过能量转化来实现的。能量风能、核能等的利用，都是通过能量转化来实现的。能量守恒定律是人们认识自然和利用自然的有力武器。守恒定律是人们认识自然和利用自然的有力武器。(2)热力学第二定律和分子物理热力学第二定律和分子物理v1850年，德国物理学家克
8、劳修斯在热力学第一定律的年，德国物理学家克劳修斯在热力学第一定律的基础上，研究卡诺机时提出：热不可能自发地、不付基础上，研究卡诺机时提出：热不可能自发地、不付代价地从低温传到高温。代价地从低温传到高温。(不可能使热量由低温物体传不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化。递到高温物体，而不引起其他变化。)v1851年凯尔文提出了热力学第二定律：不可能从单一年凯尔文提出了热力学第二定律：不可能从单一热源取热，把它全部变为功，而不产生其它任何影响。热源取热，把它全部变为功，而不产生其它任何影响。v这些表述都是等效的。这些表述都是等效的。v分子物理分子物理(3)电磁理论电磁理论 电磁学创
9、立于电磁学创立于18世纪中叶，系统化于世纪中叶，系统化于19世纪下半叶。世纪下半叶。电磁场理论的奠基者电磁场理论的奠基者-法拉第法拉第1、人们对电磁现象的早期认识、人们对电磁现象的早期认识v摩擦生电：吉尔伯特于摩擦生电：吉尔伯特于1600年出版年出版了了磁石磁石一书，对磁铁作了研究。一书，对磁铁作了研究。但他认为电与磁是两种孤立的现象。但他认为电与磁是两种孤立的现象。v1650年，荷兰人发明了最早的蓄电年，荷兰人发明了最早的蓄电容器，即莱顿电瓶；容器，即莱顿电瓶；v美国的富兰克林证实了天电与地电美国的富兰克林证实了天电与地电是同一的；是同一的；v意大利的伽伐尼发现了生物电。意大利的伽伐尼发现了
10、生物电。意大利生物学家伽伐尼意大利生物学家伽伐尼2、连续电源的获得、连续电源的获得v电的产生电的产生：(1)接触说接触说伏打伏打每种金属都是每种金属都是电流体，张力不同，两种金属电流体，张力不同，两种金属接触后，电流从张力高处向张接触后，电流从张力高处向张力低处流动，形成电流。力低处流动，形成电流。(2)化学反应说化学反应说法拉第。法拉第。v1799年，产生了伏打电池；年，产生了伏打电池；伏打和伏打和“伏打电池伏打电池”3、静电力大小的测定、静电力大小的测定v1767年，普列斯特利就指出：静电力的大小与电荷多少年，普列斯特利就指出：静电力的大小与电荷多少成正比，与距离平方成反比。成正比，与距离
11、平方成反比。v库仑定律：库仑定律：F=kQ1Q2/r4、电磁相互联系和转化的发现、电磁相互联系和转化的发现v1820年奥斯特实验中，年奥斯特实验中，发现小磁针会偏转。发现小磁针会偏转。丹麦物理学家奥斯特丹麦物理学家奥斯特v如何偏转？如何偏转？1823年安培发现了年安培发现了“右右手法则手法则”。法国科学家安培法国科学家安培v法拉第提出：电与磁是法拉第提出：电与磁是“互生互生”的；提出了的；提出了“场场”的的概念概念 1821年年9月月3日，日，30岁的法拉第设计了一个实岁的法拉第设计了一个实验，实现了以电转动磁。验，实现了以电转动磁。1831年，年，40岁的法岁的法拉第设计另一装置获得了拉第设
12、计另一装置获得了恒定电流，把磁转变成电恒定电流，把磁转变成电的伟大理想终于实现。的伟大理想终于实现。英国物理学家、化学家法拉第英国物理学家、化学家法拉第5、电磁理论的建立、电磁理论的建立v麦克斯韦方程：麦克斯韦方程：他在法拉第研究的基础上，他在法拉第研究的基础上，总结了总结了19世纪中叶以前对电磁现世纪中叶以前对电磁现象的研究成果，写出象的研究成果，写出电学和磁学电学和磁学论论一书，于一书，于1860年提出了电磁年提出了电磁波理论，建立了电磁场理论的宏伟波理论，建立了电磁场理论的宏伟大厦大厦麦克韦斯方程式这一理论麦克韦斯方程式这一理论突破，带来了后来电报、电话、电突破，带来了后来电报、电话、电
13、视、雷达的发明与发展以及全部现视、雷达的发明与发展以及全部现代化通讯手段。代化通讯手段。实现了电、磁、光的综合；实现了电、磁、光的综合；开启了第二次科技革命：开启了第二次科技革命：“电力时代电力时代”。1、拉瓦锡的氧化燃烧理论、拉瓦锡的氧化燃烧理论氧化燃烧理论取代燃素说氧化燃烧理论取代燃素说v 燃素说的困境：火是由无数细小而活泼的微粒燃素说的困境：火是由无数细小而活泼的微粒(燃素燃素)构成构成的物质实体。那么汞燃烧放热质量必然减少，实验事实是的物质实体。那么汞燃烧放热质量必然减少，实验事实是质量反而增加？质量反而增加？v 1774年，拉瓦锡发现了氧；年，拉瓦锡发现了氧；v 1789年拉瓦易出版
14、了年拉瓦易出版了化学纲要化学纲要(近代化学的起点近代化学的起点)一书，一书，提出了氧化燃烧理论提出了氧化燃烧理论四、化学：四、化学：2、原子、原子-分子论的建立分子论的建立A、道尔顿、道尔顿(近代化学之父近代化学之父)的的原子原子论论v1808年，出版了年，出版了化学哲学新体系化学哲学新体系：元素是由非常元素是由非常微小、不可再分的微粒微小、不可再分的微粒原子组成；原子在一切化原子组成；原子在一切化学变化中不可再分，并保持自己的独特性质；同一元学变化中不可再分，并保持自己的独特性质；同一元素所有原子的质量、性质都完全相同，不同元素的原素所有原子的质量、性质都完全相同，不同元素的原子质量和性质也
15、各不相同，原子质量是每一种元素的子质量和性质也各不相同，原子质量是每一种元素的基本特征之一；不同元素化合时，原子以简单整数比基本特征之一；不同元素化合时，原子以简单整数比结合。结合。v实验事实：实验事实：1O1N 2NO 悖论：半个原子问题？悖论：半个原子问题？v1811年阿佛加德罗的年阿佛加德罗的分子分子假说：气体分子由偶数个原子假说：气体分子由偶数个原子构成；同温同压下等体积的气体含有构成；同温同压下等体积的气体含有等量的分子个数等量的分子个数。B、阿佛加德罗的分子假说、阿佛加德罗的分子假说v法国化学家盖法国化学家盖吕萨克在研究各种气体在化吕萨克在研究各种气体在化学反应中体积变化的关系时发
16、现，参加同一学反应中体积变化的关系时发现，参加同一反应的各种气体，在同温同压下，其体积成反应的各种气体，在同温同压下，其体积成简单的整数比。这就是著名的气体化合体积简单的整数比。这就是著名的气体化合体积实验定律，常称为盖实验定律，常称为盖吕萨克定律。吕萨克定律。3、有机化学的兴起、有机化学的兴起v1806年年瑞典化学家瑞典化学家Berzelius(贝采里乌斯贝采里乌斯)首次提出首次提出“有机化学有机化学”概念。概念。那时候那时候“生命力说生命力说”盛行，他认为有机物必源于生命体。盛行，他认为有机物必源于生命体。v1828年年德国化学家德国化学家F.Whler(维勒维勒)在实验室中由无机物氰酸铵
17、在实验室中由无机物氰酸铵合合成成了有机物了有机物尿素尿素，表明有机物是可以用无机物合成的，表明有机物是可以用无机物合成的，“生命力生命力说说”受到冲击。受到冲击。v1845年，有机化学之父年，有机化学之父Liebige(李比希，德国李比希，德国)发展了有机化学发展了有机化学的定量分析方法，的定量分析方法，v1843年，法国化学家及微生物学家路易年，法国化学家及微生物学家路易 巴斯德发现了酒石酸晶巴斯德发现了酒石酸晶体旋光现象的存在。体旋光现象的存在。v1857-1858年，德国化学家凯库勒和英国化学家库珀等提出碳原年，德国化学家凯库勒和英国化学家库珀等提出碳原子四价键的概念。子四价键的概念。v
18、1874年法国化学家勒贝尔和荷兰化学家范托夫分别提出碳的四面年法国化学家勒贝尔和荷兰化学家范托夫分别提出碳的四面体学说，圆满地解释了旋光现象。体学说，圆满地解释了旋光现象。v1916年，年，G.N.Lewis(路易斯路易斯)提出共价键电子理论。提出共价键电子理论。v1931年，年，Pauling提出杂化轨道理论。提出杂化轨道理论。v20世纪世纪6070年代，美国化学家年代，美国化学家Woodward和和E.J.Corey分别完分别完成了有机合成由技术到艺术和艺术到科学的转变。成了有机合成由技术到艺术和艺术到科学的转变。4、俄国化学家门捷列夫发现化学元素周期律、俄国化学家门捷列夫发现化学元素周期
19、律v元素周期律的发现，元素周期律的发现，是对化学的又一次辩证的综合，把原来认为互不是对化学的又一次辩证的综合，把原来认为互不相干、彼此孤立的各种元素统一起来；揭示了自然界事物发展由量变相干、彼此孤立的各种元素统一起来；揭示了自然界事物发展由量变到质变的过程，为辩证唯物主义自然观提供了有力的科学依据。到质变的过程，为辩证唯物主义自然观提供了有力的科学依据。v在门捷列夫时代，没有任何原子结构的知识，已知元素只有在门捷列夫时代，没有任何原子结构的知识，已知元素只有63种，元种，元素大家族的信息并不完整，而且当时公认的许多元素的相对原子质量素大家族的信息并不完整，而且当时公认的许多元素的相对原子质量和
20、化合价是错误的，确定元素在周期系中的次序和化合价是错误的，确定元素在周期系中的次序原子序数是十分原子序数是十分困难的。门捷列夫通过对比元素的性质和相对原子质量的大小，重新困难的。门捷列夫通过对比元素的性质和相对原子质量的大小，重新测定了一些元素的相对原子质量，先后调整了测定了一些元素的相对原子质量，先后调整了17种元素的序列。种元素的序列。v值得一提的是，敢于宣布自己发现了一条普遍规律，创造一个理论，值得一提的是，敢于宣布自己发现了一条普遍规律，创造一个理论，是需要很大勇气的。早在是需要很大勇气的。早在1864年，德国化学家迈耶尔已明确指出年，德国化学家迈耶尔已明确指出“在在原子量的数值上存在
21、一种规律性。原子量的数值上存在一种规律性。”而且他于而且他于1870年发表了一张比年发表了一张比1869年门捷列夫发表的周期表更完整的元素周期表。年门捷列夫发表的周期表更完整的元素周期表。1880年，迈耶尔年，迈耶尔坦言道：坦言道：“我没有足够的勇气去作出像门捷列夫那样深信不疑的预我没有足够的勇气去作出像门捷列夫那样深信不疑的预言。言。”v施莱登和施旺的细胞学说主要有三个方面内容：施莱登和施旺的细胞学说主要有三个方面内容：细胞是有机体。一切动植物都是由细胞发育而来，细胞是有机体。一切动植物都是由细胞发育而来，并由细胞和细胞产物所构成，动植物的结构有显著并由细胞和细胞产物所构成，动植物的结构有显
22、著的一致性。的一致性。每个细胞作为一个相对独立的基本单位，既有它们每个细胞作为一个相对独立的基本单位，既有它们“自己的自己的”生命，又与其他细胞协调地集合，构成生命，又与其他细胞协调地集合，构成生命的整体，按共同的规律发育，有共同的生命过生命的整体，按共同的规律发育，有共同的生命过程程新的细胞可以由老的细胞产生。新的细胞可以由老的细胞产生。2、进化论的创立、进化论的创立达尔文的进化论达尔文的进化论 v 拉马克的进化论拉马克的进化论：第一个提出科学的生物进化论的是法国生物学第一个提出科学的生物进化论的是法国生物学家拉马克。通过对当时已知的无脊椎动物化石的比家拉马克。通过对当时已知的无脊椎动物化石
23、的比较和分类，拉马克发现无脊椎动物的十个纲在构造较和分类，拉马克发现无脊椎动物的十个纲在构造和组织的复杂程度上表现出一定的等级和次序。由和组织的复杂程度上表现出一定的等级和次序。由此他认识到整个动物界是一个由低级到高级、由简此他认识到整个动物界是一个由低级到高级、由简单到复杂的进化序列。单到复杂的进化序列。v达尔文的进化论达尔文的进化论 达尔文达尔文(18091882)，出生于英格兰，出生于英格兰，18311836年，他以博物学家的身份参加了年，他以博物学家的身份参加了英国军舰英国军舰“贝格尔号贝格尔号”(小猎犬之意小猎犬之意)赴南美赴南美洲洲海岸和太平洋部分岛屿的考察活动。用达尔海岸和太平洋
24、部分岛屿的考察活动。用达尔文自己的话说，贝格尔号上文自己的话说，贝格尔号上的航行，决定了他的的航行，决定了他的“全部全部生涯生涯”。参加贝格尔考察之。参加贝格尔考察之前，达尔文相信世界是神创前，达尔文相信世界是神创造的，物种也是不变的。造的，物种也是不变的。v物种起源物种起源，全名为，全名为依据自然选择，或在依据自然选择，或在生存斗争中适者生存的生存斗争中适者生存的物种起源物种起源，于，于1859年年11月月24日问世。日问世。v这是一部具有划时代意这是一部具有划时代意义的科学巨著。该著作义的科学巨著。该著作批判了创造论的错误，批判了创造论的错误，阐明了进化论的思想。阐明了进化论的思想。1、生
25、物是进化来的；、生物是进化来的；2、变异是生物普遍存在的现象，变异的基本原因是生、变异是生物普遍存在的现象，变异的基本原因是生活条件的改变；活条件的改变；3、通过人工培育可以产生新种；、通过人工培育可以产生新种；4、相似的生物起源于一个共同的祖先，一切生物的最、相似的生物起源于一个共同的祖先，一切生物的最终起源是单一的；终起源是单一的；5、在自然界中，生物物种是通过自然选择而产生的。、在自然界中，生物物种是通过自然选择而产生的。v达尔文找到了生物发展的规律，证明所有的物种都有共达尔文找到了生物发展的规律，证明所有的物种都有共同的祖先。同的祖先。他他在科学上完成了一在科学上完成了一次次伟大的革命
26、，结束了伟大的革命，结束了生物学领域中唯心主义、形而上学的统治时期，对近代生物学领域中唯心主义、形而上学的统治时期，对近代生物科学产生了巨大而深远的影响。生物科学产生了巨大而深远的影响。第一、彻底粉碎了神创论和形而上学物种不变论，第一第一、彻底粉碎了神创论和形而上学物种不变论，第一次把生物学建立在科学的基础上；次把生物学建立在科学的基础上；第二、为辩证唯物主义自然观的创立奠定了自然科学史第二、为辩证唯物主义自然观的创立奠定了自然科学史的基础。的基础。第二次科技革命第二次科技革命v主要科学技术成就：主要科学技术成就：1、电力技术、电力技术(在电磁学理论的指导下的技术革命在电磁学理论的指导下的技术
27、革命)A、1866年德国制造了第一台能提供强大电流的自激式年德国制造了第一台能提供强大电流的自激式发电机，打开了近代强电技术的大门；发电机，打开了近代强电技术的大门；D、19世纪世纪80年代，法国德普勒研制出了第一条高压输年代，法国德普勒研制出了第一条高压输电线路，及经英、美、德、俄等国电气工程技术人电线路，及经英、美、德、俄等国电气工程技术人员发明的三相发电机、电动机、变压器，最终建立员发明的三相发电机、电动机、变压器，最终建立了三相交流供电系统。了三相交流供电系统。v 第二次科技革命的特点：第二次科技革命的特点：1、科学走在生产技术的前面、科学走在生产技术的前面(这是第二次科技革命最显这是第二次科技革命最显著的特点著的特点)；2、技术研究的专业化、集体化；、技术研究的专业化、集体化；3、技术成果的商业化、产业化；、技术成果的商业化、产业化；
