一个木匠儿子的成才道路

1736年1月19日瓦特出生 在英格兰一个木匠家庭。

10岁时的志向是：做一个 科学仪器的制造者。
1756年获得格拉斯哥大学 ‚附属数学仪器制造师‛ 的头衔。

詹姆斯· 瓦特（1736-1819）
机遇！
1763年，
瓦特接受 了一项任 务：修复 大学的一 台纽可门 蒸汽泵的 模型！

走向市场

1774年8月，在一位富裕的实业家博尔登参与 下，瓦特以租赁的形式将‚博尔登—瓦特‛ 蒸汽机租借给矿厂主使用，从节约的燃煤中 收取租金——逐渐扩大影响。

1776年，他们在本特利的一个矿山进行抽水 演示，特地邀请记者参观。演示取得了巨大 的成功：不到1小时，深达300英尺的矿井中 深57英尺的水被抽干了！订单从此不断地飞 来……
上海师范大学科学教育课程
自然科学史
（七）
任课教师：孔庆典
Hale Waihona Puke 二零一零年九月十八世纪
17世纪给后世留下了一大笔遗产，而18世纪则 是这个天才时代当之无愧的继承者。前人在科 学、技术、和哲学等领域的成就都被恰当地吸 收，不仅如此，它们还被朝许多方向大范围地 推进：人类获得的知识被传播到了空前广阔的 范围内，并且被应用到了每一个可能的方面， 以期改善人们的生活。 18世纪人类精神上所表现出的重要特征： 现世主义、理性主义、自然主义
症结在哪里？

纽可门蒸汽泵的缺陷： 高耗低效 加热—冷却—再加热— 再冷却
致命难题：没有冷
却就没有真空，没 有真空就没有泵， 也就没有蒸汽动力！
灵感闪现！
1765年5月的
一个星期日下 午，瓦特出来 散步，漫步徘 徊，陷入沉思： 突然，一个念 头出现了……
谜底：
单独容器！
蒸汽在将活塞

启蒙运动的三个基本前提
1.整个宇宙可以被充分认识，它是由自然
而不是由超自然的力量支配的；
2.通过使用科学方法可以解决每一个研究
领域的基本问题；
3.人类可以被‚教化‛以至获得无止境的
改善。
A Lecture on the Orrery(1766)
After Charles Boyle, Fourth Earl of Orrery (1676-1731),

这场革命，经过开普勒、伽利略、笛卡尔的推 波助澜，最后是牛顿使其达到了顶点。牛顿的 科学成就使他本身成为那个时代的思想中心， 他的宇宙观和自然哲学逐渐成为占有主导地位 的社会和政治思想潮流。
哈雷在牛顿《原理》第一版“前言”写道： 在理性光芒的照耀下 愚昧无知的乌云 终将被科学驱散

为什么科学革命未能解放生产力？
于商业领域，这个化学过程是法国科学 家贝托莱（C.L.Berthollet）发现的。贝托 莱是以纯科学的态度进行这项研究的。 发表论文时根本没有考虑商业应用或者 经济效益。瓦特希望贝托莱能够合作， 改进生产工艺，一同申请专利。贝托莱 对此表示反对：‚一个人要是爱科学， 就不要爱财富。‛
谁来设计特尔福特大桥

矿井排水：头号难题！
萨弗里：“矿工之友”

1698年政府悬赏征求解决矿井排水的难题。 英国工程师萨弗里（ 1650-1715 ）：蒸汽泵 — “矿工之友‛ 。 萨弗里的方法是：气缸和三根导管，一根通向 蒸汽锅炉，将蒸汽注入气缸；另一根注入凉水 使蒸汽冷却形成真空，此时将坑道中的水吸入， 第二次通入蒸汽时则将气缸中的水压出。 蒸汽泵是第一台投入实用的蒸汽机。节省了人 力，但缺点也非常明显：效率底，高程短。
二、启蒙运动与
科学思想的传播
1785年，有人问德国的康德（Immanuel
Kant,1724-1804）是否生活在一个开明 的时代（an enlightened age）时，康德回 答说：‚不，我们正生活在一个启蒙的 时代（an age of enlightenment）。‛
1. 何谓“启蒙”

“ 詹姆斯，我从来没见过像你这样空闲的孩子。 念书去吧！或是做些什么有意义的事。半小时 过去了，你一言不发，一会儿把茶壶盖取下来， 一会儿又盖上去；要么用茶杯，要么用银匙去 挡住壶口的蒸汽；望着蒸汽如何冒出壶口，目 不转睛地数着水滴……”
——1750年詹姆斯· 瓦特的姑母对瓦特的一段讲话
人类早期的“蒸汽机”
技术变革引发工业革命！
也就是在这时，一场根本性变革率先
在英格兰展开，随后影响到欧洲和北 美。这就是工业革命。
18世纪这场由技术变革引发的工业革
命，把人类推进到一种全新的生存方 式——工业文明。
一、技术发明与英国产业革命
产业革命即工业革命。它表现在以机器代
替人力，以大规模工厂生产代替个体工场 手工生产，在生产力和生产关系方面均发 生巨大的变革。它使人类历史进入一个全 新的时期。一座座工厂在从前绿色的原野 上耸立起来，高大的烟囱冒出浓黑的烟雾， 机器的轰隆声惊醒了沉寂的山坳，人类生 活方式在工业革命中发生着巨大的变化。
启蒙就是人类走出自我设臵的不成熟的
状态。不成熟就是没有他人指导无法使 用自己的才智。不是缺少才智，而是无 决心和勇气进行没有他人指导的思考， 叫做自我设臵的不成熟。大胆求知吧！ 这才是启蒙运动的口号。
——康德：《什么是启蒙》（1784）
启蒙运动诞生的思想环境
17世纪科学革命为启蒙运动的诞生营造了基本的 思想环境。自然观念的转变，不但对科学，还对 人类思想的其他领域提出了大量问题。 机械哲学从物质和运动的角度解释一切自然现象， 并用数学来表达事物之间的关系。 理性主义赋予人类理性极大的力量，通过仔细考 察各种传统观念和信仰，摒弃那些错误的教条。 经验主义要求从经验和实践中观察客观事物，使 用这种方法人们才能秉承理性来推行秩序，并最 终揭示出事物的基本结构。
传统的纺纱：一手摇轮，一手续棉。
纺纱
东汉画像石
英国家庭作坊
“珍妮机”—“意外”的发明
1733年，约翰· 凯伊发明了飞梭，改进了
织布技术。导致‚纱荒‛。
1751 年，皇家学会悬赏征求‚发明一架
出色的、能同时纺6根棉纱或麻线而只需 要一人照管的机器。‛
1765年，英国詹姆斯· 哈格里夫斯发明了
火车

1850年，铁路线已经如蜘蛛网一般布满了英国， 随即更是传播到了欧洲和美国。
美国的机车：车头前的排障器，烟囱上的防火罩
“蒸汽‛改变世界
3. 科学在工业革命中的滞后
构成18世纪工业革命的技术创新，大都
是由工匠、技师或工程师这一类人做出 来的。他们中间没有多少人接受过大学 教育，而且他们全是在没有得益于科学 理论的情况下取得这些成果的。

萨弗里的“蒸汽泵”
——没有活塞！
纽可门泵：一个铁匠的发明
纽可门（1663-1729）

吸收巴本蒸汽机和萨 弗里蒸汽泵的优点： 1.气缸中活塞 2.冷水喷射器 1705年造出第一台蒸 汽机，1712年在英国 的煤井和矿山中普遍 使用。

瓦特登场

纽可门式的蒸汽机发明之后，得到一些改良。到 十八世纪中叶，大约有好几百台的纽可门式的引 擎在英国国内和国外投入使用，但是它的使用代 价太大。 对这样一种新动力的出现，有识之士都认识到应 该提高其工作效率，并且要为其推广应用开辟广 阔的天地——比如纺纱、织布、面粉加工、钢铁 厂等等，需要的地方实在是太多了。当时，许多 发明者都致力于这一目标。不久，詹姆斯 · 瓦特 开始登场。
“太阳和行星”
世界遗产
1819年8月25日詹姆斯· 瓦特去世，享年
83岁。
瓦特改良的蒸汽机促使社会发生了巨大
的变革：以工厂为基础的社会化大生产； 以蒸汽为动力的交通运输；人口的大迁 移——这就是工业革命！
工业革命的深远影响，至今还在影响和
震撼着我们！
《铁匠铺》
Joseph Wright (1734-1797)
当时的科学理论也远远落后实际需要，
如卡诺《论火的原动力》（1824）对蒸 汽机的工作原理分析。
科学与技术的分离
18世纪的‚科学家‛们的工作大多数脱
离社会的实际生活，技术行家和工程师 一般也都不去主动吸取科学知识的营养。 实际应用和理论研究之间存在着一道鸿 沟。
爱科学？还是爱财富？
瓦特曾希望把漂白织物的氯化过程应用
蒸汽时代
“它武装了人
类微弱的手， 赋予其无比的 威力；它健全 了人类的头脑， 统辖最难以驾 驭的东西。它 为机械动力在 未来创造奇迹、 造福后代打下 了坚实的基 础。‛
轮船

1801年，蒸汽首先为船只提供动力—“轮船‛
Catch me who can!

1804年，特立维德克开发出高压蒸汽机，并设计 出用蒸汽推进的火车头，载着70名乘客和10吨的 车厢，在轨道上滚动了9.5英里。
立式多滚轮纺纱机‚意外‛。从8根锭子 到80根。
立式的珍妮机——直立的纱锭
什么是“骡机”？
1769年，阿克赖特（1732-1792）‚水力
纺纱机‛ ‚骡机‛=“珍妮机‛＋‚水力纺纱机‛
1785年，塞缪尔· 康普顿：走锭纺纱机，
可纺400根锭子。

纺织业的迅速发展，迫切需要强大的动力……
左图：古希腊的蒸汽球
（希罗，公元前2世纪）
上图：牛顿的蒸汽车
漫长的历程：
巴本—萨弗里—纽可门—瓦特

1679年，巴本（1647-1712）造出了‚蒸煮 器‛：锅体密封，蒸汽使沸点升高，在高温和 高压下食物极易煮烂。锅盖上装有安全阀，防 止蒸汽压力过高——高压锅。他用这种锅给查 理二世做了一道菜‚炖骨头‛，味道鲜美。 1680年入选皇家学会会员；1690年研制成第一 台带活塞的‚蒸汽机‛，撰写《一种获取廉价 大动力的新方法》——单缸活塞式‚蒸汽机‛ 。