高中物理网 | 探索伽利略、牛顿与爱因斯坦的物理世界
您当前的位置:首页 > 物理百科 > 牛顿动力学

牛顿(Isaac Newton)

2012年08月25日  高中物理网  gaozhongwuli.com

引言

物理学最重要的物理量“力”的单位是牛顿,足见牛顿对物理界的贡献之大。但牛顿对科学的贡献,远远超出你的想象……

牛顿

牛顿是提出了二项式定理和无限理论,在此基础上创建了近代数学。

牛顿是微积分的创始人之一。另一位创始人是德国的莱布尼兹。微积分的基础牛顿-莱布尼兹公式便由此而来。

牛顿探究了力的本性,并在此基础上创立了力学。

牛顿总结出了牛顿运动三大定律。

牛顿阐明了动量角动量守恒原理。

牛顿发明了反射式望远镜,奠定了现代大型光学天文望远镜的基础。

牛顿发现了万有引力定律。

牛顿实验了光的色散,证明普通的光是由七色组成的。

牛顿测定了不同颜色的光的折射率。

牛顿创立了天文学。

牛顿留下了50多万字的炼金术手稿和100多万字的神学手稿。

牛顿简介

伊萨克·牛顿(Isaac Newton)1643年1月4日出生在英国,是世界近代科学技术史上伟大的物理学家、天文学家和数学家。

牛顿

牛顿先生在物理学界的地位迄今无人能够比肩。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。

伊萨克·牛顿在1687年7月5日发表的不朽著作《自然哲学的数学原理》里用数学方法阐明了宇宙中最基本的法则:万有引力定律和三大运动定律。这四条定律构成了一个统一的物理体系,被认为是“人类智慧史上最伟大的一个成就”。

除了牛顿三大运动定律外,牛顿还阐明了动量角动量守恒之原理。

在光学上,他发明了反射式望远镜。牛顿让一束太阳光通过三棱镜,结果阳光被分解成了赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。这是一个重大发现,它证明普通的光是由七色组成的。牛顿还用一个凸透镜把七色光合成了白光,更加证实了这一点。牛顿还进一步测定了不同颜色的光的折射率,从而发现了不同色光的折射角度,是按着赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序加大,物质的色彩是由不同颜色的光在不同物体上有不同的折射率造成的。

他由于发现了万有引力定律创立了天文学。牛顿立即把上述光学的发现用到制造望远镜上,一举制成了不带颜色的折射望远镜,奠定了现代大型光学天文望远镜的基础。

他还系统地表述了冷却定律,并研究了音速。

在数学上牛顿在数学界造诣极深,著有《二项式定理》和《微积分》。牛顿还和莱布尼茨各自独立地发明了微积分。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,包括著名的牛顿·莱布尼兹公式。他还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。微分的发展为经典力学注入了蒸蒸日盛的生命力,是研究现代经典力学的主要数学工具。

牛顿与万有引力定律

牛顿在开普勒行星三大运动定律的基础上提出了注明的万有引力定律。

 

牛顿的普适万有引力定律表示如下:任意两个质点有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。

牛顿的万有引力定律在人类历史上第一次把天上的运动和地上的运动统一起来,为日心说提供了有力的理论支持,使得自然科学的研究最终挣脱了宗教的枷锁。

牛顿与牛顿运动定律

物理学的重要枝干经典力学就是以牛顿运动定律为基础,如下的牛顿运动定律:

(1)牛顿第一定律:如果物体处于静止状态,或呈匀速直线运动状态,只要没外力作用,物体将保持静止状态,或呈等速直线运动之状态。牛顿第一定律又称为惯性定律。

(2)牛顿第二定律:物体的加速度,与所受的合外力成正比。加速度的方向与合外力的方向相同。即F合=ma;其中,a是加速度,F合是合外力,m是质量。

(3)牛顿第三定律:两个物体的相互作用力总是大小相等,方向相反,作用在同一条直线上,同时出现或消失。

牛顿的经典力学与其他物理学枝干

经典力学推翻了绝对空间的概念:即在不同空间发生的事件是绝然不同的。例如,静挂在移动的火车车厢内的时钟,对于站在车厢外的观察者来说是呈移动状态的。但是,经典力学仍然确认时间是绝对不变的,这也为爱因斯坦的“聪明绝世”打下了伏笔。

牛顿(Newton)

由伽利略和牛顿等人发展出来的力学,着重于分析位移、速度、加速度、力等等矢量间的关系,又称为矢量力学。它是工程和日常生活中最常用的表述方式,但并不是唯一的表述方式:约瑟夫·拉格朗日、威廉·哈密顿、卡尔·雅可比等发展了经典力学的新的表述形式,即所谓分析力学。分析力学所建立的框架是近代物理(英语:modern physics)的基础,如量子场论、广义相对论、量子引力等。

微分几何的发展为经典力学注入了蒸蒸日盛的生命力,是研究现代经典力学的主要数学工具。在日常经验范围中,采用经典力学可以计算出精确的结果。但是,在接近光速的高速度或强大重力场的系统中,经典力学已被相对论力学取代;在小距离尺度系统中又被量子力学取代;在同时具有上述两种特性的系统中则被相对论性量子场论取代。虽然如此,经典力学仍旧是非常有用的;它比上述理论便于理解且易于应用。

经典力学在大部分场合都非常准确。经典力学可用于描述人体尺寸物体的运动(例如陀螺和棒球),许多天体(如行星和星系)的运动,以及一些微尺度物体(如有机分子)。虽然经典力学和其他“经典”理论(如经典电磁学和热力学)大致相容,在十九世纪末,还是发现出有些只有现代物理才能解释的不一致性。特别是,经典非相对论电动力学预言光波传播于以太内的速度是常数,经典力学无法解释这预测,因而导致了狭义相对论的发展。这些问题在王尚物理博客中都有总结。经典力学和经典热力学的结合又导出吉布斯佯谬(熵不具有良好定义)和紫外灾难(在频率趋向于无穷大时,黑体辐射的理论结果和实验数据无法吻合)。为解决这些问题的努力造成了量子力学的发展。

少年牛顿

1643年1月4日,在英格兰林肯郡小镇沃尔索浦的一个自耕农家庭里,牛顿诞生了。牛顿是一个早产儿,出生时只有三磅重,接生婆和他的亲人都担心他能否活下来。谁也没有料到这个看起来微不足道的小东西会成为了一位名垂千古的科学巨人,并且竟活到了84岁的高龄。

牛顿出生前三个月父亲便去世了。在他两岁时,母亲改嫁给一个牧师,把牛顿留在外祖母身边抚养。11岁时,母亲的后夫去世,母亲带着和后爸所生的一子二女回到牛顿身边。牛顿自幼沉默寡言、性格倔强,这种习性可能来自他的家庭处境。

大约从五岁开始,牛顿被送到公立学校读书。少年时的牛顿并不是神童,他资质平常、成绩一般,但他喜欢读书,喜欢看一些介绍各种简单机械模型制作方法的读物,并从中受到启发,自己动手制作些奇奇怪怪的小玩意,如风车、木钟、折叠式提灯等等。

传说小牛顿把风车的机械原理摸透后,自己制造了一架磨坊的模型,他将老鼠绑在一架有轮子的踏车上,然后在轮子的前面放上一粒玉米,刚好那地方是老鼠可望不可及的位置。老鼠想吃玉米,就不断的跑动,于是轮子不停的转动;又一次他放风筝时,在绳子上悬挂着小灯,夜间村人看去惊疑是彗星出现;他还制造了一个小水钟。每天早晨,小水钟会自动滴水到他的脸上,催他起床。他还喜欢绘画、雕刻,尤其喜欢刻日晷,家里墙角、窗台上到处安放着他刻画的日晷,用以验看日影的移动。

牛顿12岁时进了离家不远的格兰瑟姆中学。牛顿的母亲原希望他成为一个农民,但牛顿本人却无意于此,而酷爱读书。随着年岁的增大,牛顿越发爱好读书,喜欢沉思,做科学小实验。他在格兰瑟姆中学读书时,曾经寄宿在一位药剂师家里,使他受到了化学试验的熏陶。

牛顿在中学时代学习成绩并不出众,只是爱好读书,对自然现象有好奇心,例如颜色、日影四季的移动,尤其是几何学、哥白尼的日心说等等。他还分门别类的记读书笔记,又喜欢别出心裁的作些小工具、小技巧、小发明、小试验。

当时英国社会渗透基督教新思想,牛顿家里有两位都以神父为职业的亲戚,这可能影响牛顿晚年的宗教生活。从这些平凡的环境和活动中,还看不出幼年的牛顿是个才能出众异于常人的儿童。

后来迫于生活,母亲让牛顿停学在家务农,赡养家庭。但牛顿一有机会便埋首书卷,以至经常忘了干活。每次,母亲叫他同佣人一道上市场,熟悉做交易的生意经时,他便恳求佣人一个人上街,自己则躲在树丛后看书。有一次,牛顿的舅父起了疑心,就跟踪牛顿上市镇去,发现他的外甥伸着腿,躺在草地上,正在聚精会神地钻研一个数学问题。牛顿的好学精神感动了舅父,于是舅父劝服了母亲让牛顿复学,并鼓励牛顿上大学读书。牛顿又重新回到了学校,如饥似渴地汲取着书本上的营养。

牛顿的求学生涯

1661年,19岁的牛顿以减费生的身份进入剑桥大学三一学院,靠为学院做杂务的收入支付学费,1664年成为奖学金获得者,1665年获学士学位。

17世纪中叶,剑桥大学的教育制度还渗透着浓厚的中世纪经院哲学的气味,当牛顿进入剑桥时,那里还在传授一些经院式课程,如逻辑、古文、语法、古代史、神学等等。两年后三一学院出现了新气象,卢卡斯创设了一个独辟蹊径的讲座,规定讲授自然科学知识,如地理、物理、天文和数学课程。

讲座的第一任教授伊萨克·巴罗是个博学的科学家。这位学者独具慧眼,看出了牛顿具有深邃的观察力、敏锐的理解力。于是将自己的数学知识,包括计算曲线图形面积的方法,全部传授给牛顿,并把牛顿引向了近代自然科学的研究领域。

在这段学习过程中,牛顿掌握了算术、三角,读了开普勒的《光学》,笛卡尔的《几何学》和《哲学原理》,伽利略的《两大世界体系的对话》,胡克的《显微图集》,还有皇家学会的历史和早期的哲学学报等。

牛顿在巴罗门下的这段时间,是他学习的关键时期。巴罗比牛顿大12岁,精于数学和光学,他对牛顿的才华极为赞赏,认为牛顿的数学才华超过自己。后来,牛顿在回忆时说道:“巴罗博士当时讲授关于运动学的课程,也许正是这些课程促使我去研究这方面的问题。”

当时,牛顿在数学上很大程度是依靠自学。他学习了欧几里得的《几何原本》、笛卡尔的《几何学》、沃利斯的《无穷算术》、巴罗的《数学讲义》及韦达等许多数学家的著作。其中,对牛顿具有决定性影响的要数笛卡儿的《几何学》和沃利斯的《无穷算术》,它们将牛顿迅速引导到当时数学最前沿:解析几何与微积分。1664年,牛顿被选为巴罗的助手,第二年,剑桥大学评议会通过了授予牛顿大学学士学位的决定。

1665~1666年严重的鼠疫席卷了伦敦,剑桥离伦敦不远,为恐波及,学校因此而停课,牛顿于1665年6月离校返乡。

由于牛顿在剑桥受到数学和自然科学的熏陶和培养,对探索自然现象产生浓厚的兴趣,家乡安静的环境又使得他的思想展翅飞翔。1665~1666年这段短暂的时光成为牛顿科学生涯中的黄金岁月,他在自然科学领域内思潮奔腾,才华迸发,思考前人从未思考过的问题,踏进了前人没有涉及的领域,创建了前所未有的惊人业绩。

1665年初,牛顿创立级数近似法,以及把任意幂的二项式化为一个级数的规则;同年11月,创立正流数法(微分);次年1月,用三棱镜研究颜色理论;5月,开始研究反流数法(积分)。这一年内,牛顿开始想到研究重力问题,并想把重力理论推广到月球的运动轨道上去。他还从开普勒定律中推导出使行星保持在它们的轨道上的力必定与它们到旋转中心的距离平方成反比。牛顿见苹果落地而悟出地球引力的传说,说的也是此时发生的轶事。

总之,在家乡居住的两年中,牛顿以比此后任何时候更为旺盛的精力从事科学创造,并关心自然哲学问题。他的三大成就:微积分、万有引力、光学分析的思想都是在这时孕育成形的。可以说此时的牛顿已经开始着手描绘他一生大多数科学创造的蓝图。文中大部分资料源于高中物理网(gaozhongwuli.com),特此说明。

1667年复活节后不久,牛顿返回到剑桥大学,10月1日被选为三一学院的仲院侣(初级院委),翌年3月16日获得硕士学位,同时成为正院侣(高级院委)。1669年10月27日,巴罗为了提携牛顿而辞去了教授之职,26岁的牛顿晋升为数学教授,并担任卢卡斯讲座的教授。巴罗为牛顿的科学生涯打通了道路,如果没有牛顿的舅父和巴罗的帮助,牛顿这匹千里马可能就不会驰骋在科学的大道上。巴罗让贤,这在科学史上一直被传为佳话

牛顿的晚年痴迷于神学

晚年的牛顿在伦敦过着堂皇的生活,1705年他被安妮女王封为贵族。此时的牛顿非常富有,被普遍认为是生存着的最伟大的科学家。他担任英国皇家学会会长,在他任职的二十四年时间里,他以铁拳统治着学会。没有他的同意,任何人都不能被选举。

牛顿(Newton)

晚年的牛顿开始致力于对神学的研究,他否定哲学的指导作用,虔诚地相信上帝,埋头于写以神学为题材的著作。当他遇到难以解释的天体运动时,竟提出了“神的第一推动力”的谬论。他说“上帝统治万物,我们是他的仆人而敬畏他、崇拜他”。

1727年3月20日,伟大艾萨克·牛顿逝世。同其他很多杰出的英国人一样,他被埋葬在了威斯敏斯特教堂。他的墓碑上镌刻着:让人们欢呼这样一位多么伟大的人类荣耀曾经在世界上存在。

牛顿大事件时间表

1642年 8月,英国内战爆发,战争持续到1649年。
1643年 1月4日,伊萨克·牛顿出生于英国乌尔斯索普,母亲是汉纳·牛顿。他的父亲3个月前就去世了。
1655年 牛顿12岁,开始上格兰瑟姆文法学校。
1661年 6月牛顿18岁,进入剑桥大学。
1664年 春天,牛顿21岁,开始进行光的实验。
1665年 牛顿拿到文学士学位,并开始发展他自己的高等数学。
伦敦流行大鼠疫,并扩散到其他城市。牛顿离开剑桥,回到伍尔斯索普。
1666年 牛顿在引力定律方面取得了重大突破。
1667年 3月,牛顿返回剑桥大学。6个月内,他被推选为三一学院的研究员。
1669年 7月,牛顿的作品《分析论》开始发行。
10月,牛顿被任命为剑桥大学卢卡西讲座的数学教授,年仅26岁,是担任该职位的最年轻的人
1670—1671年 牛顿研制出他的反射望远镜。
1672年 牛顿应邀参加皇家学会,这是一个由资深科学家组成的团体。
2月,牛顿向学会递交了他的入会后的第一篇论文。
1679年 6月,牛顿的母亲去世。
1684年 牛顿开始撰写他的《自然哲学的数学原理》,该书通称为《原理》。
1686年 4月28日,《原理》一书的摘要在皇家学会宣读。该书被视为科学界的经典作品。
1689年 牛顿被推选为剑桥大学代表,参加英国“国会会议”。
1693—1696年 牛顿患了一种奇怪的病。
1696年 3月,牛顿病体康复,接受皇家造币厂的监造员一职。
1699年 12月,47岁的牛顿被任命为皇家造币厂厂长
1701年 牛顿被选为代表剑桥大学的英国下议院议员。
1703年 11月30日,牛顿被选为皇家学会主席。
1704年 牛顿有关光的研究的著作《光学》出版。
1705年 牛顿被安妮女王封为爵士。他是第一位获此殊荣的科学家
1727年 3月30日,牛顿爵士逝世,享年84岁。

爱因斯坦对牛顿的评价

顶尖的物理学家对同行的评价最具有权威性,我们来看看爱因斯坦是如何评价牛顿的吧。

1942年爱因斯坦为纪念牛顿诞生300周年而写的文章,对牛顿的一生作如下的评价“只有把他的一生看作为永恒真理而斗争的舞台上一幕才能理解他”。对牛顿的评价,此赞语最恰当不过的了。

爱因斯坦指出:“牛顿是第一个成功地找到了一个用公式清楚表述物理学问的,他用数学的思维,逻辑地、定量地演绎出范围很广的现象,并且同经验相符合。”“在牛顿之前还没有什么实际的结果支持那种认为物理因果关系有完整链条的信念。”

本文作者:王尚。原创首发于2012年07月21日。
©版权所有:高中物理网,转载时必须以链接形式注明作者和原始出处及本声明!
   

王尚微信公众号

收藏这篇文章到:
我要收藏到物理网空间

考点解析

一张图所有必考点    从这张图了解整个高中物理的知识框想不考高分都困难!!!

如何学好高中物理    如何提高考试成绩?如何改进学习方法,提高学习效率?