第18課 近代科學(xué)體系的奠基人牛頓

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1、第五單元 杰出的科學(xué)家成長的足跡萬有引力定律晚年的困惑導(dǎo)入 被譽為“近代科學(xué)開創(chuàng)者”的牛頓，為人類社會的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。他的三大成就萬有引力定律、微積分學(xué)和對光的分析，為現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 成長的足跡伍爾斯索普宅?。╓oolsthorpe Manor），牛頓的出生地。 牛頓故居位于英國伍爾索斯普領(lǐng)地，1642年的圣誕節(jié)他就誕生在這座灰白色的石頭建筑。牛頓故居門前有那棵著名的蘋果樹，就在這棵樹下，牛頓領(lǐng)悟到萬有引力。樹的下方立著一方綠色的銅質(zhì)徽章，那是伊利莎白女王頒發(fā)的保護令。牛頓故居12歲時的牛頓 1665年，英國爆發(fā)了一場席卷全國的大瘟疫，劍橋大學(xué)因此關(guān)閉，牛頓回到了故鄉(xiāng)。圖為當(dāng)

2、時的大瘟疫死亡統(tǒng)計公告。病魔所到之處橫尸遍野 距離地球數(shù)百萬光年的星系。根據(jù)牛頓的原理研制的高級望遠(yuǎn)鏡，使天文學(xué)家能比以前更遠(yuǎn)地觀察到宇宙深處。 牛頓在17世紀(jì)70年代設(shè)計的望遠(yuǎn)鏡。它一般被稱為反射望遠(yuǎn)鏡，效果遠(yuǎn)優(yōu)于伽利略設(shè)計的著名的折射望遠(yuǎn)鏡。 伽利略（15641642），偉大的意大利物理學(xué)家和天文學(xué)家，他開創(chuàng)了以實驗事實為根據(jù)并具有嚴(yán)密邏輯體系和數(shù)學(xué)表述形式的近代科學(xué)，被譽為“近代科學(xué)之父”。他第一個把望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)天空進行觀測，出版了星空使者一書。1632年，他出版了關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話，把哥白尼的學(xué)說推到了最終勝利的階段。 伽利略伽利略繪制的月球圖伽利略的折射式望遠(yuǎn)鏡 16

3、09年，伽利略創(chuàng)制了天文望遠(yuǎn)鏡。他觀測到月球表面凹凸不平，并繪制了第一幅月面圖。 牛頓曾癡迷于三棱鏡的特性，他在三一學(xué)院的研究室內(nèi)進行了一次又一次的實驗。他拉上窗簾，使房間變暗，以便更容易觀察三棱鏡的效果。作為一個大學(xué)生，他對于光的特性的了解已經(jīng)超過了前人。牛頓在做光學(xué)實驗 牛頓在劍橋的集市上發(fā)現(xiàn)三棱鏡后，就開始研究光的特性。在他的第一次試驗中，他發(fā)現(xiàn)白光穿過三棱鏡后就會分散為彩虹。他把這一色光的排列成為光譜，由頂端的紫光到下端的紅光。 在產(chǎn)生光譜后，牛頓決定讓光再穿過第二個三棱鏡。他發(fā)現(xiàn)從另一端出來的是白光，他由此正確推斷出，它把不同的色光重新組合在一起了。這說明，白光是由彩虹中的所有顏色的

4、光組成的。為了證明這一點，他制作了一個由彩虹的所有顏色組成的圓盤，如上圖左，飛快地旋轉(zhuǎn)它。從右圖可見，它模擬出第二個三棱鏡的效果，飛速旋狀后的圓盤呈現(xiàn)白色。 劍橋大學(xué)牛頓數(shù)學(xué)橋 數(shù)學(xué)橋又稱牛頓橋，是位于劍橋大學(xué)內(nèi)的一座木橋。相傳，這座橋是牛頓運用數(shù)學(xué)和力學(xué)原理設(shè)計建造的，整座橋上沒有使用一根釘子，堪稱是個奇跡。后來，好奇的學(xué)生把它拆下來，想看個究竟。誰知拆下容易，恢復(fù)難！無論他們用什么方法，就是恢復(fù)不了原樣，連校方也無能為力，最后，不得不用釘子固定，才重新將木橋架起來。萬有引力定律自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理 1687年，牛頓出版了力學(xué)經(jīng)典著作自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理，建立起了完整的力學(xué)理論體系，實現(xiàn)了物理學(xué)

5、史上的第一次大飛躍。m1m2FFd 牛頓萬有引力定律的圖解。物體間引力的大小取決于物體的質(zhì)量和它們之間的距離。這可以用上述方程式表示，其中G代表引力系數(shù)，m1和m2代表兩個物體的質(zhì)量，d代表它們之間的距離。F = G m1m2 /d2萬有引力作用下的太陽系模式圖 用拉丁文敘述的牛頓第一和第二定律，選自1687年版的自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理。兩位滑冰運動員演示的牛頓第三運動定律“神舟五號”飛船發(fā)射 國產(chǎn)殲十起飛 噴氣式飛機和運載火箭的飛行都是遵循牛頓的第三定律：一種力把燃?xì)鈴娘w行器引擎的末尾推出去，同時一種相等的反作用力推動飛行器前進。1726年版的自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理 英國皇家學(xué)會開始時的活動只是同事

6、間偶爾的聚會，但在牛頓擔(dān)任主席后，它迅速發(fā)展成一個受人尊敬和極有聲望的組織。圖中所示是牛頓擔(dān)任主席期間皇家學(xué)會的一次會議。牛頓就坐在當(dāng)中主持會議?；始覍W(xué)會權(quán)杖 英國皇家學(xué)會（The Royal Society）是英國學(xué)術(shù)研究機構(gòu) ，正式成立于1660年，并于1662 、1663、1669年領(lǐng)到皇家的各種特許證。女王是學(xué)會的保護人。學(xué)會宗旨是促進自然科學(xué)的發(fā)展。它是世界上最古老而又未中斷過的唯一 科學(xué)學(xué)會 。它在英國起著全 國科學(xué)院的作用（自然科學(xué)方面），在世界上享有聲譽。1689年，46歲時的牛頓肖像（ Godfrey Kneller） 在天文學(xué)方面，1672年牛頓創(chuàng)制了反射望遠(yuǎn)鏡；他還解釋了

7、潮汐的現(xiàn)象，指出潮汐的大小不但同朔望月有關(guān)，而且與太陽的引力也有關(guān)系；另外，牛頓從理論上推測出地球不是球體，而是兩極稍扁、赤道略鼓，并由此說明了歲差現(xiàn)象等。 在物理學(xué)上，牛頓基于伽利略、開普勒等人的工作，建立了三條運動基本定律和萬有引力定律，并建立了經(jīng)典力學(xué)的理論體系。 在數(shù)學(xué)上，牛頓創(chuàng)立了“牛頓二項式定理”，并和萊布尼茲幾乎同時創(chuàng)立了微積分學(xué)。 在光學(xué)方面，牛頓發(fā)現(xiàn)白色日光由不同顏色的光構(gòu)成，并制成“牛頓色盤”；關(guān)于光的本性，牛頓創(chuàng)立了光的“微粒說”。 我的成就當(dāng)歸于精力的思索。勝利者往往是從堅持最后五分鐘的時間中得來成功。聰明人之所以不會成功，是由于他們?nèi)狈皂g的毅力。你若想獲得知識，你該

8、下苦功；你若想獲得食物，你該下苦功；你若想得到快樂，你也該下苦功。因為辛苦是獲得一切的定律。你該將名譽作為你最高人格的標(biāo)志。牛頓名言 墓志銘（模仿創(chuàng)世紀(jì)） “我之所以能比別人看得遠(yuǎn)些，是因為我站在巨人們的肩上?！?“我只不過是一個在海濱玩耍的小孩，不時地為比別人找到更光滑更美麗的卵石和貝殼而高興，而在我面前的真理的海洋，卻完全是個謎” 。牛頓晚年的困惑 在天文學(xué)方面，1672年牛頓創(chuàng)制了反射望遠(yuǎn)鏡；他還解釋了潮汐的現(xiàn)象，指出潮汐的大小不但同朔望月有關(guān)，而且與太陽的引力也有關(guān)系；另外，牛頓從理論上推測出地球不是球體，而是兩極稍扁、赤道略鼓，并由此說明了歲差現(xiàn)象等。 在物理學(xué)上，牛頓基于伽利略、開

9、普勒等人的工作，建立了三條運動基本定律和萬有引力定律，并建立了經(jīng)典力學(xué)的理論體系。 在數(shù)學(xué)上，牛頓創(chuàng)立了“牛頓二項式定理”，并和萊布尼茲幾乎同時創(chuàng)立了微積分學(xué)。 在光學(xué)方面，牛頓發(fā)現(xiàn)白色日光由不同顏色的光構(gòu)成，并制成“牛頓色盤”；關(guān)于光的本性，牛頓創(chuàng)立了光的“微粒說”。 牛頓傳 位于倫敦塔里的造幣廠壓模室。牛頓1696年任造幣廠總監(jiān)，1699年升為廠長。任職期間，他對用于錢幣制造的金屬的凈化方法進行了根本性的改革。他也負(fù)責(zé)起訴那些偷偷萃取硬幣當(dāng)中的貴金屬的“剪刀手”。據(jù)說牛頓十分熱中于把這些罪犯繩之以法，乃至處死。這是刻有安妮女王肖像的硬幣，是在牛頓的監(jiān)制下制成的硬幣之一1702年的牛頓（Go

10、dfrey Kneller繪） 1712年的牛頓（James Thornhill繪） 萊布尼茨(Leibniz,1646-1716)萊布尼茨出生于德國萊比錫的一個教授家庭，早年在萊比錫大學(xué)學(xué)習(xí)法律，同時開始接觸伽利略、開普勒、笛卡兒、帕斯卡以及巴羅等人的科學(xué)思想。1667年獲阿爾特多夫大學(xué)法學(xué)博士學(xué)位，次年開始為緬因茨選帝侯服務(wù)，不久被派往巴黎任大使。萊布尼茨在巴黎居留了四年（16721676），這四年對他科學(xué)生涯的意義，可以與牛頓在家鄉(xiāng)躲避瘟疫的兩年類比，萊布尼茨許多重大的成就包括創(chuàng)立微積分都是在這一時期完成或奠定了基礎(chǔ)。他是柏林科學(xué)院的創(chuàng)建者和首任院長。 瑞士數(shù)學(xué)家德丟勒(Duiller)

11、1699年在一本小冊子中提出“牛頓是微積分的第一發(fā)明人”，而萊布尼茨作為“第二發(fā)明人”，“曾從牛頓那里有所借鑒”。萊布尼茨立即對此作了反駁。1712年，英國皇家學(xué)會專門指定了一個委員會進行調(diào)查，并于翌年公布了一份著名的通報，宣布“確認(rèn)牛頓為第一發(fā)明人”。這引起了萊布尼茨的申訴。爭論在雙方的追隨者之間越演越烈，直到萊布尼茨和牛頓都去世后，才逐漸平息并得到解決。經(jīng)過調(diào)查，特別是對萊布尼茨手稿的分析，證實兩人確實是相互獨立地完成了微積分的發(fā)明。就發(fā)明時間而言，牛頓早于萊布尼茨；就發(fā)表時間而言，萊布尼茨則先于牛頓。李文林?jǐn)?shù)學(xué)史概論 1687年當(dāng)牛頓在自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理中首次發(fā)布他的流數(shù)（即微積分）方法

12、時，他在前言中作了這樣一段說明： “十年前，我在給學(xué)問淵博的數(shù)學(xué)家萊布尼茨的信中曾指出：我發(fā)現(xiàn)了一種方法，可用以求極大值、極小值、作切線以及解決其他類似的問題，而且這種方法也適用于無理數(shù)，這位名人回信說他也發(fā)現(xiàn)了類似的方法，并把他的方法給我看了。他的方法與我的大同小異，除了用語、符號、算式和量的產(chǎn)生外，沒有實質(zhì)性區(qū)別?！?這可以說是對微積分發(fā)明權(quán)的客觀評述，遺憾的是，它在原理第3版時被刪去了。李文林?jǐn)?shù)學(xué)史概論 優(yōu)先權(quán)爭論被認(rèn)為是“科學(xué)史上最不幸的一章”。微積分發(fā)明權(quán)的爭論，對整個18世紀(jì)英國與歐陸國家在數(shù)學(xué)發(fā)展上的分道揚鑣，產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。雖然牛頓在微積分應(yīng)用方面的輝煌成就極大地促進了科學(xué)的進

13、步，但由于英國數(shù)學(xué)家固守牛頓的傳統(tǒng)而使自己逐漸遠(yuǎn)離分析的主流。分析的進步在18世紀(jì)是由歐陸國家的數(shù)學(xué)家在發(fā)展萊布尼茨微積分方法的基礎(chǔ)上而取得的。李文林?jǐn)?shù)學(xué)史概論牛頓傳最后的煉金術(shù)士牛頓總共留下了50多萬字的煉金術(shù)手稿和100多萬字的神學(xué)手稿。 1936年，經(jīng)濟學(xué)家凱恩斯（J.M.Keynes）從一個收藏者手里購買了一批有關(guān)牛頓的秘密資料。通過幾年的研究，凱恩斯1942年在皇家學(xué)會俱樂部發(fā)表了一次名為“牛頓其人”的演說，給出了一個與傳統(tǒng)模式截然不同的牛頓形象，即牛頓不再只是一個科學(xué)家，也是一個醉心神學(xué)和煉金術(shù)的人。 凱恩斯在演說中說：“從18世紀(jì)迄今，牛頓被認(rèn)為是現(xiàn)代第一個和最偉大的科學(xué)家，一個

14、理性主義者，一個教會我們依據(jù)冰冷、不摻色彩的原因進行思考的人。我不這樣看他。我認(rèn)為，凡是留意過他包好的箱子里的東西的任何人，都不會這樣看他。那些東西是他1696年離開劍橋時留下的，有些散亂的部分已經(jīng)到了我們手里。牛頓不是那個理性時代的第一人。他是最后一個術(shù)士，最后一個巴比倫人和蘇美爾人，最后一個偉大的心靈，用與那些早在1萬年前就建立我們知識遺產(chǎn)的人同樣的目光，觀察著這個看得見的和充滿智慧的世界。牛頓，1642年誕生于圣誕節(jié)的生下來就沒有父親的遺腹子，是最后一個奇妙的孩童，尋訪初生基督的使者能夠?qū)λ硎菊嬲\的和適當(dāng)?shù)木匆??！鞭D(zhuǎn)引自Michael White, Isaac Newton: The Last Sorcerer. （懷特：牛頓：最后的巫師）1705年，牛頓被安妮女王封為爵士，死后被葬于倫敦威斯敏斯特大教堂。圖為威斯敏斯特大教堂。 由于他的偉大功績，牛頓生時受到國民的尊敬，死時像國王一樣受到人們的瞻仰。伏爾泰威斯敏斯特大教堂內(nèi)的牛頓墓 在人類的歷史上, 能夠結(jié)合物理實驗、 數(shù)學(xué)理論、 機械發(fā)明成為科學(xué)藝術(shù)的人, 只有一位 那就是牛頓。愛因斯坦說劍橋大學(xué)牛頓塑像表現(xiàn)牛頓進行光學(xué)實驗的牛頓蠟像威廉布萊克(William Blake,1795) 創(chuàng)作的牛頓。英鎊上的牛頓各種以牛頓為主題的紀(jì)念郵票結(jié) 束