牛顿在科学的贡献及影响

牛顿在科学史上的贡献及影响

一、牛顿简介

牛顿（1643年1月4日~1727年3月31日）爵士，英国皇家学会会员，是一位英国物理学家、数学家、天文学家、自然哲学家和炼金术士。他在1687年发表的论文《自然哲学的数学原理》里，对万有引力和三大运动定律进行了描述。这些描述奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点，并成为了现代工程学的基础。他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性，展示了地面物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律；从而消除了对太阳中心说的最后一丝疑虑，并推动了科学革命。在力学上，牛顿阐明了动量和角动量守恒之原理。在光学上，他发明了反射式望远镜，并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察，发展出了颜色理论。他还系统地表述了冷却定律，并研究了音速。在数学上，牛顿与戈特弗里德·莱布尼茨分享了发展出微积分学的荣誉。他也证明了广义二项式定理，提出了“牛顿法”以趋近函数的零点，并为幂级数的研究作出了贡献。在2005年，英国皇家学会进行了一场“谁是科学史上最有影响力的人”的民意调查，牛顿被认为比阿尔伯特·爱因斯坦更具影响力。

二、牛顿在物理学及天文学上的贡献

人们一提起牛顿首先就会想到他在物理学上的贡献。这其中包括了力学、光学，热学等。以及他在天文学上发现的万有引力定律。

牛顿精辟地阐述了着名的运动三定律。

定律一：每个物体继续保持其静止或沿一直线作等速运动的状态, 除非有力加于其上迫使它改变这种状态。

定律二：运动的改变和所加的动力成正比, 并且发生在所加的力的那个直线方向上。

定律三：每个作用总有一个相等的反作用和它相对抗, 或者说, 两物体彼此之间相互作用永远相等, 并且各指其对方。

牛顿三定律是在观察和实验的基础上发现的, 已被公认为宏观自然规律, 并成为数学演绎的基础。第一定律是在伽利略、笛卡儿关于惯性定律的基础上建立起来的, 对当今的物理学家来说, 它几乎自然地成了力学的基础。第二定律是在明确了质量概念以后, 对伽利略动力学思想的发展, 它是运动三定律的核心。牛顿第一和第二定律是密切相关的。第一定律表明一个不受干扰力的质点保持它的原有的运动状态第二定律则表明, 力只能引起原有运动状态的改变。故这两个定律否定了伽利略—牛顿时代以前关于必须有力才能保持运动的错误观点。第三定律的指出, 可以说是牛顿对力学发展的一个最具创造性的独到的贡献, 这个定律的确立指出了每一个力都有其反作用力, 从而对力的概念作了完整的概括。这三个看起来非常简单的物体运动定律作为一个整体是动力学的基础。这个基础, 从牛顿奠定之后又成为近代动力学和天体力学研究的基本出发点, 因此得到物理学家, 甚至所有科学家和自然哲学家的极大重视。

、牛顿的万有引力定律

万有引力定律是艾萨克·牛顿在前人（开普勒、胡克、雷恩、哈雷）研究的基础上，凭借他超凡的数学能力证明，在1687年于《自然哲学的数学原理》上发表的。牛顿的万有引力定律表示为：任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引。该引力的大小与它们的质量乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两物体的化学本质或物理状态以及中介物质无关。万有引力定律是解释物体之间的相互作用的引力的定律。是物体（质点）间由于它们的引力质量而引起的相互吸引力所遵循的规律。

牛顿在光学上的三大贡献

牛顿用极大的兴趣和热情对光学进行研究。1666年，牛顿使用三棱镜进行了着名的色散试验。他发现白光是由各种不同颜色的光组成的，这是第一大贡献。牛顿为了验证这个发现，设法把几种不同的单色光合成白光，并且计算出不同颜色光的折射率，精确地说明了色散现象。揭开了物质的颜色之谜，原来物质的色彩是不同颜色的光在物体上有不同的反射率和折射率造成的。牛顿由于发现了白光的组成，认为折射望远镜透镜的色散现象是无法消除的，就设计和制造了反射望远镜。为了制造望远镜，他自己设计了研磨抛光机，实验各种研磨材料。公元1668年，他制成了第一架反射望远镜样机，这是第二大贡献。反射望远镜的发明奠定了现代大型光学天文望远镜的基础。同时，牛顿还进行了大量的观察实验和数学计算。牛顿还提出了光的“微粒说”，认为光是由微粒形成的，并且走的是最快速的直线运动路径。他的“微粒说”与后来

惠更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本理论。这是他的第三大贡献。此外，他还制作了牛顿色盘等多种光学仪器。

三、牛顿在数学上的贡献

创立了微积分

17世纪以来，原有的几何和代数已难以解决当时生产和自然科学所提出的许多新问题，在这样的背景下微积分学说诞生了。

当时笛卡儿的《几何学》和瓦里斯的《无穷算术》对牛顿的影响最大。牛顿将古希腊以来求解无穷小问题的种种特殊方法统一为两类算法：正流数术（微分）和反流数术（积分），反映在1669年的《运用无限多项方程》、1671年的《流数术与无穷级数》、1676年的《曲线求积术》三篇论文和《原理》一书中，以及被保存下来的1666年10月他写的在朋友们中间传阅的一篇手稿《论流数》中。所谓“流量”就是随时间而变化的自变量如x、y、s、u等，“流数”就是流量的改变速度即变化率。他说的“差率”“变率”就是微分。与此同时，他还在1676年首次公布了他发明的二项式展开定理。牛顿利用它还发现了其他无穷级数，并用来计算面积、积分、解方程等等。1684年莱布尼兹从对曲线的切线研究中引入了和拉长的S作为微积分符号，从此牛顿创立的微积分学在大陆各国迅速推广。

发现了二项式定理

在一六六五年，刚好二十二岁的牛顿发现了二项式定理，这对于微积分的充分发展是必不可少的一步。二项式定理在组合理论、开高次方、高阶等差数列求和，以及差分法中有广泛的应用。项式级数展开式是研究级数论、函数论、数学分析、方程理论的有力工具。

公式为：(a+b)^n=Cn0a^nb^0+Cn1a^(n-1)b^1+……+Cnna^0b^n

此定理指出：

1、(a+b)^n的二项展开式共有n+1项，其中各项的系数

Cnr(r∈{0，1，2，……，n})叫做二项式系数。

等号右边的多项式叫做二项展开式。