校本课程 第2讲 西方古代物理学

1. 古希腊的自然观 2. 古希腊的物理知识 3. 中世纪的物理知识

校本课程第二讲

西方古代物理学

主讲人：王玉艳

1. 古希腊的自然观 2. 古希腊的物理知识 3. 中世纪的物理知识

教学目标：了解 1. 古希腊的自然观

2. 古希腊的物理知识

3. 中世纪的物理知识

教学重点：对宇宙的认识及古希腊的物理知识

教学过程：

引言：欧洲文明源自古希腊，从公元前8世纪到公元4世纪，史称“古希腊时期”。这个时期，古希腊学派林立、智者云集，包括科学在内的希腊文化达到了奴隶社会的颠峰。

一．古希腊的自然观

（一）世界万物本原

1．朴素元素论

米利都学派创始人泰勒斯（约前624-前547）认为万物本原是水，万物生于水又复归于水。

其学生阿那克西曼德（约前610-前546）提出一种“无限者”（或“无定”、“不固定者”）

作为万物本原。

后者的学生阿那克西米尼（约前585-前525）则以实实在在的“气”作为万物本原。

之后的赫拉克利特（约前540-前475）又把富于变化的“火”作为万物本原。

也有学者认为万物的本原是多种元素。 恩培多克勒（约前490-前430）提出了“四根说”，即土、水、气、火四种元素。这四种本原以“爱”和“恨”相吸或排斥而结合成万物，万物的变化就是这四种元素的分离与重新组合。

古希腊的元素论到了亚里士多德（约前384-前332）才算有了定论。他认为地上万物由

轻重不同的土、水、气、火四种元素组成，天体由神圣纯洁的以太组成。他提出元素由冷、热、干、湿四种基质结合而成。四种元素不同的结合构成世界万物。

2 古代原子论

原子论的创始人是米利都学派的留基伯（约前500-前440）和他的学生德谟克利特（约前460-前370），一百年后，伊壁鸠鲁（约前342-前270）发展了原子论的思想。

3 毕达哥拉斯学派“数的和谐”

公元前6世纪至公元前5世纪，毕达哥拉斯（约前584-前497）创建了古希腊哲学中很

独特的一个学派，这是一个研究数学与宗教的秘密结社，公元前5世纪分裂为科学派和宗教派。

毕达哥拉斯学派反对物质元素是万物本原的观点，认为数是独立于物之外的实质，数是

万物本原，“万物皆数”，“数支配着世界”，“万物的本原是一”。

他们认为1是同一，是普遍的由1可以产生2，产生出各种数；2是意见，是1的对立

物；3是实在与圆满，所有的一切都由3决定；4是主义；10是灵魂与理性，10=1+2+3+4，包括了数的全部本性。由数可以产生几何上的点、线、面、体，有了体才可以火、气、水、土元素，从而产生万物,数在物之先，数是事物的终极原因。

（二）对宇宙的认识

1 米利都学派的泰勒斯认为地象一个圆盘或圆桶浮在水上。

2 毕达哥拉斯学派：企图用“数的和谐”来建立关于宇宙的理论。他们认为球体是最完美的几何形体，所以他们断言，宇宙是球形的，当中是中心火团，各种物体都围绕中心火团做均匀圆周运动；恒星紧系在天的最高圆顶，这个圆顶三万六千年绕中心火团转一周，下面是同心运动的球体（水、金、火、木、土星、太阳、月亮和地球）。

3 柏拉图学派：柏拉图（前427-前347）认为永恒神圣的天体必须沿着完美的圆形轨道作均匀有序的运动，或者是沿着复合的圆周运动。他的学生欧多克索和亚里士多德提出了同心球层模型：太阳、月亮和行星都在以地球为中心的同心球壳中运动。

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4 地心说：古希腊后期的阿波罗尼（约公元前247-205）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，本轮的中心有在一地球为中心的均匀轮上做圆周运动。

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，认为地球不是宇宙的中心，太阳才是宇宙的中心地球和行星都围绕太阳作圆周运动，恒星在远处，是不动的。

二. 古希腊的物理知识

古希腊物理知识比较集中在力学和光学两个方面。

（一）力学知识

代表人物：亚里士多德和阿基米德

亚里士多德（公元前384～前322年）是古希腊最伟大的科学家之一。他17岁时就跟大哲学家柏拉图学习。亚里士多德爱独立思考。因此，他有许多观点跟他的老师截然相反。亚里士多德当过教师，对植物、动物、天文、气候、数学和物理等方面都进行过研究，著书1000多种，可以说他是古希腊各种知识集大成者。他的这些著作被当作古代世界的百科全书。达尔文曾这样评价亚里士多德："我尊敬林奈和屈费尔好像两位神一样。但是，他们比起亚里士多德来，却不过是小学生。"

亚里士多德（公元前384～前322年）研究了在重力作用下物体的运动，论证了运动、

时间和空间的关系，区分了物质方面的运动、量方面的运动和空间方面的运动。

关于时间，亚里士多德把时间看作是描述运动的数。他认为时间不同于运动，但时间

也不能脱离运动。关于物体的运动，亚里士多德认为变化就是运动。这里的变化包括物体的性质变化、物体的位置移动、事物的产生和消灭、数量的增减……其中位置移动就相当于机械运动。他指出，要谈运动就必须指明“什么”在运动，“在哪里”运动和“何时”运动，显然这里已指明了物体运动和时间、空间的不可分割性。

阿基米德（公元前287～前212年）生于意大利的斜拉古，他父亲是天文学家和数学家。

他从小受到父亲的熏陶而热爱数学。11岁时他到埃及的亚历山大学习。在那里他接受了东方和古希腊的优秀的文化教育，为他后来事业上取得成就打下了基础。

阿基米德擅长对物理问题进行数学处理。他详细研究了物体在液体中所受浮力跟浸入液体中物体体积之间的关系，得出了著名的浮力定理，传说据此他揭开了金王冠之谜。他详细地研究了杠杆的平衡问题，找出了杠杆的平衡条件。他曾豪迈地提出：只要给我一个支点，我就可以把整个地球举起。阿基米德叙述杠杆平衡的学说，奠定了静力学的基础。

（二）光学知识

古希腊对光的反射的研究贡献最大的是欧几里德（约前330-前275）和希隆。欧几里德

把几何学运用到光现象的研究上，开创了几何光学。他著有《反射光学》，确立了光的直进性并建立了反射定律，确定了凹面镜的聚焦点在球心或球心与球面之间。之后的希隆（约前150-前100）也著有《反射光学》一书，内容是关于镜子的理论和实际应用。

相传古希腊的阿基米德，曾令他的士兵共同用镜子把太阳光反射到进攻他们的同一只敌

船上，把敌船烧毁。

托勒密在对天体的观测中曾注意到光的折射现象。他著有《光学》一书，但早已佚失。

（三）其他物理知识

古希腊对磁和声也有一定研究。

柏拉图在<<蒂迈欧>>中，亚里士多德的学生泰奥弗拉斯托斯在《论石》中都指出磁石

和琥珀吸引它物的能力。卢克莱修在《物性论》中曾用原子论来解释磁石吸铁现象，而且他第一个记述了磁力相吸现象。

古希腊人在乐器的制造中积累了一些声学知识，毕达哥拉斯学派还最早创立了“五度相

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生律”。亚里士多德认为声音的传播需要有介质，空气和水都可以传播声音。他还认识到回声是声的反射。古罗马的建筑师重视剧场建筑的声学问题，维特鲁威的名著《论建筑》开创了建筑声学的研究。

三. 中世纪的物理知识

在以欧洲为中心的世界史分期中，公元5-15世纪这一时期通常被称为中世纪中世纪还

可分为：黑暗时代（5-8世纪）这个时期战争频繁、社会动荡，古希腊学术终结。阿拉伯文化时代（8-11世纪）西方文化黑暗之时，东方中国的智慧之光照亮世界。地处东西方贸易交流纽带的阿拉伯，成为沟通东西方科学文化的桥梁，为世界科学做出了特殊贡献。经院哲学时代（公元11-12世纪）经院哲学是封建统治阶级为了统一人们的思想而发展起来的官方哲学，因为它产生在教会的学院里而得名。这一时期哲学成了神学的婢女，自然科学失去了自己的声音，自由的科学精神被彻底的禁锢起来了。

（一）阿拉伯人的物理成就

阿拉伯帝国时期穆斯林在物理学方面取得的成就主要集中在光学与力学方面

物理学家金迪（公元801？-873年，同时还是数学家、天文学家、哲学家、化学家和音

乐理论家），一生至少著有265部学术著作，但是传世的只有15部拉丁文译本。它们是关于

气象、比重、潮汐、（几何）光学，以及音乐理论等方面的论述，许多内容是与物理有关的。

塔比特（公元826-901年）写了一部研究杠杆的力学著作《杠杆的平衡》，他在该书中

成功地证明了杠杆的平衡原理。

比鲁尼（公元973-1050年）研究过流体静力学与物体的瞬间运动与加速度；他不仅发

现光的传播速度快于声音，精确地测定了不同类型宝石的比重，并且为所有已知的复合物与物质元素建立了比重表，还正确地解释了喷泉与自流井的成因……

哈兹尼设计一种奇妙的“智慧秤”，这种称在没有砝码的情况下也能测量物质的重量和比

重。为此他在1137年还写了一本书《智慧秤的故事》。另外，哈兹尼对比重的研究卓有成效。他发现空气具有重量，使得阿基米德的浮力定律在空气中也能适用。哈兹尼还发现并证明越接近地心水的密度越大，他知道物体在不同高度测量重量是不同的，进而提出了一种重要的物理学思想——物质的（质）量不同于重量，而且二者之间的关系是正比关系。

在光学研究中，阿勒 哈增（公元965-1040年）不仅说明了光在同一物质中是沿直线传

播的，还研究了光的反射和折射。他在实验中不但研究平面镜、球面镜、柱面镜和抛物面镜，而且研究球面像差和透镜的放大率。大气折射也是他研究的范畴。在光学研究中哈森首先应用数学方法解决几何光学的问题。他关于球面像差、透镜的放大率和大气折射方面的发现通过开普勒等人的介绍，对欧洲科学的发展有很大的影响。

哈增的另一项重要贡献是对视觉原理的阐释。在哈增以前，人们一直坚信古希腊学者柏

拉图（Plato，公元前427～347年）和欧几里德提出的“视觉是由于眼睛发射出光线照射于物体上而产生的”这一错误观念，而哈增的观点是——视觉是反射光线射入眼球所致。

( 二 ) 欧洲的物理成就

1 罗吉尔 培根的物理成就

英国人罗吉尔 培根(约1214-1294)是13世纪杰出的科学家,他倡导实验方法,重视对数

学的研究,大胆同迷信、反动教会作不懈的斗争。他称得上是近代自然科学的先驱者。

他倡导用实验方法研究自然界 把数学的重要性提到原则的高度

2 冲力说学派

冲力说的代表早期的代表人物是公元6世纪亚历山大里亚的斐劳波诺斯。他否认天体的

运行是神灵推动的，而是上帝在初始创造时赋予天体的一种“冲力”，靠着这种冲力来维持天体的永恒运动，这种冲力是永恒的。14世纪牛津大学的威廉又恢复了斐劳波诺斯的冲力说，

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并进而提出，只要给物体冲力，物体便能运动，直到把这个冲力消耗完毕运动才会停止。

冲力说在巴黎也得到了发展，巴黎的冲力派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。

总的来说，冲力派的思想和工作与经院哲学派完全不同。冲力派的出现表明亚里士多德的力学即将崩溃，同时还为经典力学的建立作了理论上和方法上的准备。

物理学在欧洲中世纪虽然停滞了一段时间，但是对亚里士多德力学的重新思考和新研究方法的孕育，为新物理学的产生作了许多准备。“于无声处听惊雷”，近代物理学革命的暴风骤雨即将到来。