第4课-近代科学之父牛顿

评价牛顿
牛顿是英国物理家、数学家和天文学家， 是经典力学建立者。是近代科学之父。 他创建了经典力学的理论体系，在光 学、数学、天文学研究方面也做出划时代 发明和发现， 牛顿是17世纪科学革命中所涌现出来 最伟大的科学家，也是人类历史上最伟大 的科学家之一。
牛顿一生中的主要科学成就
“仅就光学方面的成就或许 就可以使他在本书中占有一席之地， 但是他在这方面的成就比起他在数 学或力学方面的成就来，那就相形 见绌了。”
天文学：发明 反射望远镜，解 释潮汐现象、地 球的圆扁形状 反射望远镜
光学：自制第一架
折射望远镜，白光由 七色组成，成为光谱 学基础；发表《关于 光和色的新理论》， 提出光的本质是微粒
折射望远镜
经 典 力 学
万有引力定律
加速度定律， 作用与反作用定 律，惯性定律
《自然哲学中的数学原理》
经典力学奠基者 （17世纪初） 伽利略 （意）
经典力学建立者 （17世纪晚期）
牛顿 （英）
从经典力学发展到相对论、 量子论（19末20初）
爱因斯坦（德、美） 普朗克（德）
历史上证实牛顿 力学的三件事
第一件，用牛顿力学算出 地球的形状象只桔子。
古希腊的亚里士多德认为 地球是个正球体，两千年来人 们对此深信不疑。牛顿却根据 他的力学，说地球是个扁球体， 象只大桔子。此言一出，学界 哗然。地球那么大，牛顿又从 不出远门，他凭什么说地球有 点扁？可是法国科学家经过三 次实地测量，终于证实了牛顿 的看法。用力学能算出地球的 形状，真是个奇迹。
牛顿从一个大学新生到成为剑桥大学卢卡斯讲座教 授，总共费时8年。他以惊人的速度攀登学术地位的阶 梯，也以惊人的速度同时进行科学和数学的研究工作， 终于使他的名字镌刻在不朽的历史丰碑上 巴罗教授是第一任卢卡斯讲座教授，这个职位的人 选是由卢卡斯基金委员会指定的，只有真正有学问的人 才能担任这一职务。1668年，巴罗教授推荐牛顿担任第 二任卢卡斯讲座教授的职位，1669年牛顿就担任了这一 职务（当时他还不到27周岁）。1665—1666年英国发生 可怕的瘟疫，牛顿回到自己的家乡乌尔索普。这两年中， 牛顿在光学、数学、力学等领域的研究都取得了重大的 进展。可以说牛顿在乌尔索普的日子里产生了许多灵感 和直觉，而且这些思想日后变成了伟大的定律，成为近 代科技的基础。
第二件，用牛顿力学算出了哈雷彗星回归周期
长期以来到，人们一直认为彗星是神秘的，根本不 能用科学来说明。牛顿说，既然彗星也是天体，就必然遵 循力学规律。他的好友哈雷用牛顿力学算出了1682年出现 的彗星的轨道，指出它的回归周期是75—76年，由此预言 它将在1758年再次出现。哈雷1705年发表这个预言，当时 他已49岁，却要预言53年以后的事，岂非耸人听闻？可是 1758年这颗彗星果然如期出现，并被命名为哈雷彗星。
斯蒂克利（第一个写牛顿传记的作者）记述：
“牛顿爵士在接受文学学士学位的仪式上被安排在 第二列，属于人们戏称的输掉银币者”。（“输掉银币 者”是指当时的一个传统：学生要向考试官缴纳 9枚银 币，如果学生考得好，考完之后银币发还给他；如果考 得不好，钱就没收了。） 但是，无论22岁的牛顿以何种成绩毕业，都不会影 响他作为伟大科学家的声誉。更何况牛顿在大学毕业前 夕，就提出了数学上有名的二项式定理以及微积分的初 步算法。 这一成就已经站在了当时数学研究领域的顶峰。所 以有人说，即使牛顿没有别的成就，仅仅靠这个定理也 足以使他在科学史上留下不朽的美名。
二、牛顿来到世间做了些什么？
牛顿的生平事迹
牛顿生活的年代是17世纪中期至18 世纪早期，正是欧洲社会发生巨大变 革的伟大时代。资本主义进一步发展， 自然科学有所突破，思想文化继承了 文艺复兴时期的人文主义，进一步发 展为启蒙运动时期的理性主义。
1642年，正当英国资产阶级革命时期，斯图亚特王 朝的国王查理一世挑起内战的那一年，也是伽利略逝世 的那一年，牛顿出生在英国北部一个叫乌尔索普的小村 庄。他的父亲继承祖产，是当地一个有钱人。他的母亲 汉娜是一个出身没落贵族家庭的有教养的大家闺秀。 牛顿快要出生的时候，36岁的父亲突然病逝。据说 牛顿出生的时候身体很弱，当时流传着这样一个小故事： “被雇来帮助牛顿母亲汉娜的两个女佣，被差遣去一个 夫人家里拿药；很显然牛顿太孱弱了，这两个女佣取到 药回来时，她们以为来不及了，那孩子必定已经死了， 就坐在台阶前休息。” 牛顿3岁的时候，母亲汉娜改嫁，牛顿的童年时代是和 外婆一起生活的，一直到11岁母亲因第二位丈夫去世重 新回到牛顿身边。童年时代的牛顿动手能力很强，他小 时候制作的模型有能够运转的风车，牛顿有时候放一只 小老鼠进去转动风车叶片；还有风筝、可用的日晷、纸 灯笼等，在阴暗的早晨牛顿就打着自制的灯笼去上学。
学
力 1）创立了物体运动三定律和万有引力定律； 学 2）《自然哲学中的数学原理》,标志着经典力学理论体
系的建立。 天文学 制作了世界上第一架反射望远镜考察行星运动，解释了
潮汐现象、地球的圆扁形状等问题。
探讨：牛顿为什么被称为近代科学之父？
探讨：牛顿为什么被称为近代科学之父？
(1)牛顿创立的力学体系对自然界的力学现象做出了系统 的、合理的说明，从而完成了人类对自然界认识史上的第 一次理论大综合。其创立的经典力学是近代自然科学理论 体系中最先成熟和完善的核心理论体系，经典力学的创立 标志着近代科学的形成 （2）牛顿注重实验和实践，创立了实验和论证相结合的 研究方法，牛顿的研究方法被后人总结为“归纳—演绎” 法，牛顿是第一个充分使用这种近代科学研究方法的人， 牛顿“归纳—演绎”等科研方法对近代科学研究有引导意 义，为近代科学的发展奠定基础。
在17世纪的时候，这个决定并不令人意外。 辍学在家的牛顿总是寻找一切机会追求知识，表 现出强烈的求知欲望，对农场上的工作显得心不 在焉，被人们认为生活马虎、散漫。当地的地方 法院至今仍记载着牛顿被处罚的情况：1659年牛 顿被罚了3先令4便士，处罚原因是“放任他的羊 群破坏了田野小树”。另外两次罚款，每次都是 罚款1先令，是因为“放任他的猪群践踏玉米田” 和“纵容他的田园篱笆毁损不予修理”。 国王中学的校长看到牛顿展现出的无穷求知 欲望，再次劝说汉娜，再加上汉娜哥哥（牛顿的 舅舅）的劝说，汉娜终于同意让牛顿去上学了。 这样，牛顿通过考试，在1661年成为剑桥大学的 学生。
数学：提出二项式定理以及微积分的初
步算法
牛顿数学桥是剑桥大学城 里的一大景观，全桥由7177根 大小不一的木头衔接而成，有 10299个接口，如果以一个接口 用一枚铁钉来计算，那么至少 需要 10299枚铁钉。但牛顿把 所有铁钉都倒进了河里，整座 桥没用一枚铁钉，这就是数学 的奇妙。多少年来，剑桥数学 系的高才生们都梦想解破数学 桥的奥秘，换句话说就是想在 纸头上造一座跟数学桥一模一 样的桥。但如愿者无一。多数 人设计出来的桥至少需要上千 枚铁钉才能达到原桥同等效果， 只有少数几人把铁钉数量减少 到千枚数之内。有个冰岛人， 他创造了有史以来的最好成绩， 把铁钉数减少到561枚。
牛顿为什么能在科学上作出重大贡献
（牛顿取得伟大成就的原因）？ （1）吸收前人研究成果 （2）勤奋的探索精神； （3）科学的研究方法
牛顿对科学研究的专注程度已经达到狂热的地步， 让他身边的人都感到吃惊。有一个叫汉弗莱的人，曾经 做过牛顿的助手，协助牛顿抄写文件和做实验。他对牛 顿写《自然哲学的数学原理》那段时间的生活做了这样 的描述： “他对自己的研究是如此专注和认真，以致他吃得 很少，时常根本忘记了要吃东西……他难得上床睡觉， 直到清晨两三点、甚至五六点才就寝，也仅睡四五个小 时而已。特别是春天和秋天，他经常把自己留在实验室 里，有一回长达六星期之久。炉火日夜不停地燃烧，他 整夜地坐守在火炉旁，然后下一夜轮到我看守，如此轮 替直到他完成化学实验为止。”
第三件： 用牛顿力学算出了一颗 未知行星的位置
ห้องสมุดไป่ตู้
1781年天王星 被发现，科学家用 牛顿力学计算它的 轨道，可是计算结 果总是同观测纪录 不大相符。经反复 核算，观测无误。 那问题是否出现在 牛顿力学上面？
科学家大胆猜想计算结果之所以不理想，是因为太阳系 中还有一颗未知的行星，当时没有考虑到它对天王星的 引力作用。他们用牛顿力学算出了这颗未知行星的位置 和质量。1848年9月23日，柏林天文台台长用望远镜对准 那个位置，一下子就看到了一颗新的行星—海王星。
牛顿在格兰萨姆镇的国王中学上学，由于离家较远，租 住在一家药房的楼上。房东先生是一位药剂师，平易近人， 热情开朗，牛顿可以在他身旁看他工作和提出问题，从而给 了牛顿早期的化学概念，也给了他自行做试验的机会。牛顿 喜欢做试验，他把自己看到的现象都记录下来。有时候把药 瓶旁边的说明书抄录下来，甚至自己还可能创造一些配方。 在国王中学的时候，牛顿曾经与同学打架，那个同学的 成绩比牛顿优秀。于是“战斗”结束以后，牛顿就宣布学习 成绩一定要超过欺负过他的那个家伙，从此牛顿勤奋学习， 在短期内成绩迅速超过了那个同学，而且跃居全班第一。 牛顿16岁的时候，在学校里已经很有名气了，校长认 定他是个应该进大学的候选人。可是，他的母亲汉娜并不重 视教育，尽管她的哥哥受到剑桥大学的教育，但汉娜却认为 没有多大必要让牛顿继续接受教育，不识字也能把农场经营 得很好。校长的坚持使汉娜做出了一个决定，让牛顿辍学回 家。
由于牛顿不愿意在完全准备妥当之前透露 他的构想，所以他几乎发狂地工作。汉弗莱说： “我从来没有见过他做过任何运动或休闲活动， 既不骑马兜风、散步，也不玩滚木球或任何其 他运动。他几乎从不离开书房，好像一分钟不 做研究就会损失几小时的宝贵光阴。他既努力 又认真……他吃得很少，时常还忘记了吃东西， 我有时到他的书房发现他完全没有碰过食物。 当我提醒他时，他会说‘我没吃吗？’。然后 走到旁边，站着吃一两口就算吃过饭了。我可 以说，我从未看过他坐在餐桌旁吃饭。”
牛顿作为卢卡斯讲座教授，第一次上课就是 以光学为主题，以自己的发现和严格的数学支持 来讲课。可是他那一小群学生则茫然无知，谁也 没有意识到牛顿所讲述的理论基础，正是他后来 的著作《光学》中的材料，是他对物理世界伟大 贡献的两大支柱之一。 因此，牛顿第二次上课的时候没有一位学生 来听，不但如此，甚至在后来的17年间，几乎每 一次上课都一样。很少有学生去听他的课，更难 得有学生听得懂他的课。