第18课 近代科学体系的奠基人牛顿

课件51张PPT。第五单元 杰出的科学家
■成长的足迹
■万有引力定律
■晚年的困惑第18课
近代科学体系的奠基人牛顿导入 被誉为“近代科学开创者”的牛顿，为人类社会的发展做出了巨大贡献。他的三大成就——万有引力定律、微积分学和对光的分析，为现代科学的发展奠定了基础。 成长的足迹伍尔斯索普宅邸（Woolsthorpe Manor），牛顿的出生地。 牛顿故居位于英国伍尔索斯普领地，1642年的圣诞节他就诞生在这座灰白色的石头建筑。牛顿故居门前有那棵著名的苹果树，就在这棵树下，牛顿领悟到万有引力。树的下方立着一方绿色的铜质徽章，那是伊利莎白女王颁发的保护令。牛顿故居12岁时的牛顿 1665年，英国爆发了一场席卷全国的大瘟疫，剑桥大学因此关闭，牛顿回到了故乡。图为当时的大瘟疫死亡统计公告。病魔所到之处横尸遍野 距离地球数百万光年的星系。根据牛顿的原理研制的高级望远镜，使天文学家能比以前更远地观察到宇宙深处。 牛顿在17世纪70年代设计的望远镜。它一般被称为反射望远镜，效果远优于伽利略设计的著名的折射望远镜。 伽利略（1564—1642），伟大的意大利物理学家和天文学家，他开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系和数学表述形式的近代科学，被誉为“近代科学之父”。他第一个把望远镜对准天空进行观测，出版了《星空使者》一书。1632年，他出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，把哥白尼的学说推到了最终胜利的阶段。 伽利略伽利略绘制的月球图伽利略的折射式望远镜 1609年，伽利略创制了天文望远镜。他观测到月球表面凹凸不平，并绘制了第一幅月面图。 牛顿曾痴迷于三棱镜的特性，他在三一学院的研究室内进行了一次又一次的实验。他拉上窗帘，使房间变暗，以便更容易观察三棱镜的效果。作为一个大学生，他对于光的特性的了解已经超过了前人。牛顿在做光学实验 牛顿在剑桥的集市上发现三棱镜后，就开始研究光的特性。在他的第一次试验中，他发现白光穿过三棱镜后就会分散为彩虹。他把这一色光的排列成为光谱，由顶端的紫光到下端的红光。 在产生光谱后，牛顿决定让光再穿过第二个三棱镜。他发现从另一端出来的是白光，他由此正确推断出，它把不同的色光重新组合在一起了。这说明，白光是由彩虹中的所有颜色的光组成的。为了证明这一点，他制作了一个由彩虹的所有颜色组成的圆盘，如上图左，飞快地旋转它。从右图可见，它模拟出第二个三棱镜的效果，飞速旋状后的圆盘呈现白色。 剑桥大学牛顿数学桥 数学桥又称牛顿桥，是位于剑桥大学内的一座木桥。相传，这座桥是牛顿运用数学和力学原理设计建造的，整座桥上没有使用一根钉子，堪称是个奇迹。后来，好奇的学生把它拆下来，想看个究竟。谁知拆下容易，恢复难！无论他们用什么方法，就是恢复不了原样，连校方也无能为力，最后，不得不用钉子固定，才重新将木桥架起来。万有引力定律《自然哲学的数学原理》 1687年，牛顿出版了力学经典著作《自然哲学的数学原理》，建立起了完整的力学理论体系，实现了物理学史上的第一次大飞跃。 牛顿万有引力定律的图解。物体间引力的大小取决于物体的质量和它们之间的距离。这可以用上述方程式表示，其中G代表引力系数，m1和m2代表两个物体的质量，d代表它们之间的距离。F = G m1m2 /d2万有引力作用下的太阳系模式图 用拉丁文叙述的牛顿第一和第二定律，选自1687年版的《自然哲学的数学原理》。两位滑冰运动员演示的牛顿第三运动定律“神舟五号”飞船发射 国产歼十起飞 喷气式飞机和运载火箭的飞行都是遵循牛顿的第三定律：一种力把燃气从飞行器引擎的末尾推出去，同时一种相等的反作用力推动飞行器前进。1726年版的《自然哲学的数学原理》 英国皇家学会开始时的活动只是同事间偶尔的聚会，但在牛顿担任主席后，它迅速发展成一个受人尊敬和极有声望的组织。图中所示是牛顿担任主席期间皇家学会的一次会议。牛顿就坐在当中主持会议。皇家学会权杖 英国皇家学会（The Royal Society）是英国学术研究机构 ，正式成立于1660年，并于1662 、1663、1669年领到皇家的各种特许证。女王是学会的保护人。学会宗旨是促进自然科学的发展。它是世界上最古老而又未中断过的唯一 科学学会 。它在英国起着全 国科学院的作用（自然科学方面），在世界上享有声誉。1689年，46岁时的牛顿肖像（ Godfrey Kneller） 在天文学方面，1672年牛顿创制了反射望远镜；他还解释了潮汐的现象，指出潮汐的大小不但同朔望月有关，而且与太阳的引力也有关系；另外，牛顿从理论上推测出地球不是球体，而是两极稍扁、赤道略鼓，并由此说明了岁差现象等。 　　在物理学上，牛顿基于伽利略、开普勒等人的工作，建立了三条运动基本定律和万有引力定律，并建立了经典力学的理论体系。
在数学上，牛顿创立了“牛顿二项式定理”，并和莱布尼兹几乎同时创立了微积分学。
在光学方面，牛顿发现白色日光由不同颜色的光构成，并制成“牛顿色盘”；关于光的本性，牛顿创立了光的“微粒说”。 我的成就当归于精力的思索。胜利者往往是从坚持最后五分钟的时间中得来成功。聪明人之所以不会成功，是由于他们缺乏坚韧的毅力。你若想获得知识，你该下苦功；你若想获得食物，你该下苦功；你若想得到快乐，你也该下苦功。因为辛苦是获得一切的定律。你该将名誉作为你最高人格的标志。牛顿名言 墓志铭（模仿《创世纪》）
“我之所以能比别人看得远些，是因为我站在巨人们的肩上。”
“我只不过是一个在海滨玩耍的小孩，不时地为比别人找到更光滑更美丽的卵石和贝壳而高兴，而在我面前的真理的海洋，却完全是个谜”?。
——牛顿晚年的困惑 在天文学方面，1672年牛顿创制了反射望远镜；他还解释了潮汐的现象，指出潮汐的大小不但同朔望月有关，而且与太阳的引力也有关系；另外，牛顿从理论上推测出地球不是球体，而是两极稍扁、赤道略鼓，并由此说明了岁差现象等。 　　在物理学上，牛顿基于伽利略、开普勒等人的工作，建立了三条运动基本定律和万有引力定律，并建立了经典力学的理论体系。
在数学上，牛顿创立了“牛顿二项式定理”，并和莱布尼兹几乎同时创立了微积分学。
在光学方面，牛顿发现白色日光由不同颜色的光构成，并制成“牛顿色盘”；关于光的本性，牛顿创立了光的“微粒说”。 《牛顿传》 位于伦敦塔里的造币厂压模室。牛顿1696年任造币厂总监，1699年升为厂长。任职期间，他对用于钱币制造的金属的净化方法进行了根本性的改革。他也负责起诉那些偷偷萃取硬币当中的贵金属的“剪刀手”。据说牛顿十分热中于把这些罪犯绳之以法，乃至处死。这是刻有安妮女王肖像的硬币，是在牛顿的监制下制成的硬币之一1702年的牛顿（Godfrey Kneller绘） 1712年的牛顿（James Thornhill绘） 莱布尼茨(Leibniz,1646-1716)莱布尼茨出生于德国莱比锡的一个教授家庭，早年在莱比锡大学学习法律，同时开始接触伽利略、开普勒、笛卡儿、帕斯卡以及巴罗等人的科学思想。1667年获阿尔特多夫大学法学博士学位，次年开始为缅因茨选帝侯服务，不久被派往巴黎任大使。莱布尼茨在巴黎居留了四年（1672—1676），这四年对他科学生涯的意义，可以与牛顿在家乡躲避瘟疫的两年类比，莱布尼茨许多重大的成就包括创立微积分都是在这一时期完成或奠定了基础。他是柏林科学院的创建者和首任院长。 瑞士数学家德丢勒(Duiller)1699年在一本小册子中提出“牛顿是微积分的第一发明人”，而莱布尼茨作为“第二发明人”，“曾从牛顿那里有所借鉴”。莱布尼茨立即对此作了反驳。1712年，英国皇家学会专门指定了一个委员会进行调查，并于翌年公布了一份著名的通报，宣布“确认牛顿为第一发明人”。这引起了莱布尼茨的申诉。争论在双方的追随者之间越演越烈，直到莱布尼茨和牛顿都去世后，才逐渐平息并得到解决。经过调查，特别是对莱布尼茨手稿的分析，证实两人确实是相互独立地完成了微积分的发明。就发明时间而言，牛顿早于莱布尼茨；就发表时间而言，莱布尼茨则先于牛顿。
——李文林《数学史概论》 1687年当牛顿在《自然哲学的数学原理》中首次发布他的流数（即微积分）方法时，他在前言中作了这样一段说明：
“十年前，我在给学问渊博的数学家莱布尼茨的信中曾指出：我发现了一种方法，可用以求极大值、极小值、作切线以及解决其他类似的问题，而且这种方法也适用于无理数，……这位名人回信说他也发现了类似的方法，并把他的方法给我看了。他的方法与我的大同小异，除了用语、符号、算式和量的产生外，没有实质性区别。”
这可以说是对微积分发明权的客观评述，遗憾的是，它在《原理》第3版时被删去了。
——李文林《数学史概论》 优先权争论被认为是“科学史上最不幸的一章”。微积分发明权的争论，对整个18世纪英国与欧陆国家在数学发展上的分道扬镳，产生了严重影响。虽然牛顿在微积分应用方面的辉煌成就极大地促进了科学的进步，但由于英国数学家固守牛顿的传统而使自己逐渐远离分析的主流。分析的进步在18世纪是由欧陆国家的数学家在发展莱布尼茨微积分方法的基础上而取得的。
——李文林《数学史概论》《牛顿传——最后的炼金术士》牛顿总共留下了50多万字的炼金术手稿和100多万字的神学手稿。 1936年，经济学家凯恩斯（J.M.Keynes）从一个收藏者手里购买了一批有关牛顿的秘密资料。通过几年的研究，凯恩斯1942年在皇家学会俱乐部发表了一次名为“牛顿其人”的演说，给出了一个与传统模式截然不同的牛顿形象，即牛顿不再只是一个科学家，也是一个醉心神学和炼金术的人。
凯恩斯在演说中说：“从18世纪迄今，牛顿被认为是现代第一个和最伟大的科学家，一个理性主义者，一个教会我们依据冰冷、不掺色彩的原因进行思考的人。我不这样看他。我认为，凡是留意过他包好的箱子里的东西的任何人，都不会这样看他。那些东西是他1696年离开剑桥时留下的，有些散乱的部分已经到了我们手里。牛顿不是那个理性时代的第一人。他是最后一个术士，最后一个巴比伦人和苏美尔人，最后一个伟大的心灵，用与那些早在1万年前就建立我们知识遗产的人同样的目光，观察着这个看得见的和充满智慧的世界。牛顿，1642年诞生于圣诞节的生下来就没有父亲的遗腹子，是最后一个奇妙的孩童，寻访初生基督的使者能够对他表示真诚的和适当的敬意。”
——转引自Michael White, Isaac Newton: The Last Sorcerer.
（怀特：《牛顿：最后的巫师》）1705年，牛顿被安妮女王封为爵士，死后被葬于伦敦威斯敏斯特大教堂。图为威斯敏斯特大教堂。 由于他的伟大功绩，牛顿生时受到国民的尊敬，死时像国王一样受到人们的瞻仰。
——伏尔泰威斯敏斯特大教堂内的牛顿墓 在人类的历史上, 能够结合物理实验、 数学理论、 机械发明成为科学艺术的人, 只有一位—— 那就是牛顿。
——爱因斯坦说剑桥大学牛顿塑像表现牛顿进行光学实验的牛顿蜡像威廉·布莱克(William Blake,1795) 创作的《牛顿》。英镑上的牛顿各种以牛顿为主题的纪念邮票结 束