6.4近代科学之父牛顿 课件（共39张PPT）

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历史人教版
选修4
早期科学发明与创造
1643年，牛顿出生于英国北部一个名叫乌尔索普的小村庄。在他出生时父亲已去世，3岁时，母亲也改嫁了。他的童年时代是和外婆一起生活的。牛顿从小就爱思考，他善于观察生活，观察生活中人们的活动，再根据人们的需要进行一些发明和创造。
【学思之窗】
上中学时牛顿就喜欢做实验并记笔记。他将日常生活中发生的许多现象记录下来，还对所学过的知识进行分类整理。因生活所迫，他曾一度辍学在家，即便如此，他仍在从事科学研究。有一天，外面狂风大作，下起大雨。牛顿只披了一件斗篷跑到院子里，在雨中跳来跳去地做风力实验，再把实验数据记录下来，以供研究。你怎样看待牛顿的学习方法?
答案提示:牛顿的学习方法是科学的。通过做实验、记笔记，积累数据，并能够把知识进行分类整理。这样的学习方法与当时的“归纳一演绎"
科学研究方法是一致的。
进入大学后，牛顿开始接触大量的自然科学著作。除了师从著名学者巴罗教授学习外，他还用大量的时间自学笛卡儿等人的数学著作。这些著作将牛顿引导到当时数学的最前沿——解析几何与微积分方面。大学毕业前，他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。
【历史纵横】
由于家境不很富足，交不起昂贵的学杂费用，牛顿以减费生身份进入剑桥大学。按学校的规定，减费生必须做一些清洁、侍长、送信等工作，以资补偿，为此，牛顿受到那些贵族和富豪子弟的歧视。但他非常勤奋地学习，在毕业前提出了二项式定理，当时他只有22岁。有人认为，即使牛顿没有别的成就，仅这个定理也足以使他在科学史上留下不朽之名。
1665~1666年，在英国发生了一场可怕的鼠疫，为躲避瘟疫，牛顿回到乡下。在乡下的这两年是牛顿科学生涯中的黄金岁月，他在光学、数学、力学等领域的研究都取得了重要进展。17世纪初，意大利科学家伽利略制造了第一架天文望远镜。牛顿在研究了伽利略等人的实验成果后，自己制作了一架折射望远镜，对太阳光进行反射实验，证明日光，即白光，由七色光组成。他还进一步说明了物体颜色的形成原理。他的实验与结论奠定了光谱学的基础。
牛顿用自己制作的三棱镜对射进房间的太阳光进行反射实验，太阳光被分解成红、橙、黄，绿．青.蓝．紫七种颜色的光带。再通过倒置棱镜。把七色光带综合为白光。由此．他正确地解释了白光．即日光.是由七种有色光组成的，七种光都是单色光．当白光照射下来时，由于光的折射角大小不一，而被分解为七色。图为牛顿在进行光学实验。
在进行光学研究的同时，牛顿于1668年设计并制作了世界上第一架反射望远镜，用这架望远镜，他考察行星运动，分析潮汐现象，预言地球不是正球体。在英国皇家学会的要求下，牛顿又亲手制作了一架更大的反射望远镜，送给皇家学会。现在的天文反射望远镜，就是在牛顿的反射望远镜基础上发展而来的。反射望远镜的发明，使人类对天体的观察进入了一个新阶段。
牛顿的天文望远镜
1672年，牛顿被选为英国皇家学会会员，当年他将自己的论文《关于光和色的新理论》送交学会。这篇论文提出了光的本质是微粒的见解，这个学说在后来的两个世纪中，统领西方物理学界，与荷兰物理学家惠更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本理论。
[历史纵横]
牛顿在他的著作中提出，光是由一粒粒像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流。而惠更斯认为光是一种机械波动，由发光物体振动引起。19世纪60年代，麦克斯韦又提出光是一种电磁现象，光波是一种波长较短的电磁波。到了20世纪，爱因斯坦提出光量子论，赋予光以波粒二象性，把光的微粒说和波动说在一个更高的基础上统一起来。
发现万有引力定律
还在大学里，牛顿就已经了解了哥白尼、伽利略和开普勒等人在天文学方面的研究成果，他相信开普勒提出的行星按一定轨道运行的理论。但行星为什么会这样运动?牛顿感到一定有一种隐藏着的力量在牵着这些行星，使它们不至于脱离轨道，在天空中乱飞。重物落向地面，也是由于这种力量的吸引。经过反复思考与实验后，牛顿得出结论:宇宙中一切物体之间，都存在着一种相互吸引的作用，这种相互吸引的作用力，就是万有引力。
近代科学之父
万有引力定律后来成为天文学上的基础定律，极大地推动了人们对天体运动的研究。人们用这个定律解释彗星的轨道问题、双星行为以及新发现行星的运动等，在实践中多次证明这个理论的正确性。
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。
1687年，牛顿的划时代科学巨著《自然哲学的数学原理》出版。在这部著作中，他确定了解决万有引力问题的物体运动三定律，阐明万有引力的概念并把它应用到天文学中。此外，他在书中还解释了潮汐现象、地球的圆扁形状等问题。
这是一本重要的力学全书，它用数学表达方式，把伽利略和开普勒等人提出的零散的理论加以科学整理，从而构成一个完整的力学理论体系。自那时起，牛顿力学就成为经典力学理论，在以后的二百多年间，居于物理学的统治地位，直到爱因斯坦相对论的提出以及量子力学的建立才打破了这种绝对权威。
特别提醒：《自然哲学中的数学原理》不仅使牛顿闻名世界，也使世人对宇宙的认识有了革命性的转变，还对科学产生了革命性的影响，同时也打开了工业革命的大门。
[历史纵横]
牛顿从物体运动速度的变量和变化率，想到数学中的切线问题、求积问题。瞬时速度等问题，提出新计算方法:由变量计算变率，称为微分;由变率计算变量，称为积分;二者互为逆运算。微积分学是数学发展的里程碑，它以普通计算法完成了过去的烦琐计算，开辟了现代数学新领城。当时德国数学家莱布尼茨也在与牛顿几乎相同的时间提出了微积分理论。二者的研究各有短长，牛顿研究微积分着重于从运动学考虑，而莱布尼茨侧重于几何学。由于民族偏见，关于微积分的发明优先权的争论从18世纪初开始延续了一百多年。
艺术家笔下的牛顿像神一样在制定宇宙规律
勤奋的探索与科学的研究方法
当牛顿成名后，曾经有人问他，用什么方法取得了那样多的发明和发现，牛顿回答说，自已并没有什么特别的方法，只不过对一件事能够用很长时间加以考虑。的确，在科学研究上，牛顿是一个十分专注的科学家，同时也是位勤奋的探索者。牛顿一生未婚，他的多半时间都在剑桥大学里工作，而其中绝大部分时间又都花在实验室里。通常他很少在夜里两三点前入睡，一天的睡眠时间只有四五个小时，有时为了一项研究会通宵达旦，或连续几个星期工作在实验室里。
除了勤奋的探索精神外，牛顿的研究方法也给后人以借鉴。在他生活的时代，英国皇家学会还在倡导以观察来验证科学概念的方法，而牛顿则将实验作为得出科学概念的主要途径。这是近代的科学研究方法，牛顿是第一个充分使用这种方法的人。
牛顿的研究方法被后人总结为“归纳——演绎”法，他在实验中得出结论后，还要在进一步的实验中证明自己所得出结论的正确性。这种严肃的科学态度与勤奋的探索精神相结合，使牛顿做出科学史上的伟大发现，并为近代科学的发展奠定基础。
几枚不同国家发行的邮票，反映了牛顿给人类社会带来的巨大影响
例：晚年的牛顿迷恋和钻研宗教与神秘思想，写下了大量的《圣经》评注和其他神学论文，认为“上帝统治万物，我们是他的仆人而敬畏他、崇拜他”。这说明(　　)
A．牛顿毕生致力于自然科学的研究
B．牛顿晚年否定了自己所发展的科学
C．牛顿受时代的限制也有其局限性
D．牛顿真实的目的是用科学战胜神学
解析：选C　在牛顿生活的历史时代，宗教神学的思想观念依然具有重大影响，促使牛顿陷入宗教神秘思想而不能自拔，C项符合题意；A项与“我们是他的仆人”等信息不符，B、D两项与牛顿的历史活动相悖。
[学思之窗]
如果说我比别人看得远些，那是因为站在巨人肩上的緣故。我不知道在别人看来，我是什么样的人;但在我自己看来，我不过就像是一个在海滨玩耍的小孩，为不时发现比寻常更为光滑的一块卵石或比寻常更为美丽的一片贝壳而沾沾自喜，而对于展现在我面前的浩瀚的真理的海洋，我还没有发现呢。——牛顿
牛顿以怎样的态度看待他所取得的成就?在他身上我们能够学到科学家的哪些优秀品质?
答案提示:牛顿对待自已取得的成绩是很谦虚的。我们可以从科学家身上学到虚怀若谷的谦虚态度和严谨的科学研究态度，还有勤奋的探索精神等。
牛顿的时代是一个科学革命的大时代，依据是(　　)
A．文艺复兴和宗教改革动摇了宗教神学的统治地位
B．真正的科学伴随着资本主义的发展登上历史舞台
C．牛顿的天体力学完成了物理学发展史上的第一次大综合
D．以牛顿力学体系为核心的古典物理学彻底解决了物理学的理论问题
解析：选B　牛顿生活在17世纪，资本主义的发展、资产阶级的壮大促进了理性主义的兴起，人们要求进一步探索自然，从而推动了近代科学的发展。
牛顿经典力学体系产生的历史影响
1．经典力学体系囊括了地上的物体运动和天上的天体运动，对自然界的力学现象作出了系统、合理的说明，完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合，标志着近代科学的形成，开启了人类科学的新时代。
2．经典力学体系使力学和天文学在理论上达到了相当完备的程度，并在社会生产、科学实验中得到了广泛的应用和验证，使科学摆脱了神学的束缚和压制，为人们正确认识和解释自然界的现象提供了理论指导。
3．经典力学体系不仅是经典物理学和天文学的基础，也是现代工程力学以及与之有关的工程技术的理论基础，引发了以英国工业革命为起点的第一次技术革命，为法国的启蒙思想和唯物主义哲学奠定了科学基础。
牛顿建立力学体系的主要条件
除牛顿的学术水平、刻苦好学、勤于思考等主观条件外，客观条件为：
1．社会的经济基础：当时英国资本主义的发展，提出了经济和技术方面的要求，这些要求向自然科学提出的问题基本上是力学问题，如增加船的装载能力和航行速度，从深矿井中把矿石运出来，研究发射时火炮内部发生的变化及火炮的改进、弹道问题等。牛顿力学体系的建立正是顺应了时代的需要。
2．具备较好的知识条件：当时的力学、光学、天文学等领域已经具备了丰富的知识积累。如伽利略提出的惯性定律和落体定律、开普勒提出的行星运动三定律、培根提出的科学研究方法等都为牛顿力学体系奠定了坚实的基础。正是在前人研究的基础上牛顿建立起一座宏伟壮丽的力学大厦。
1.“牛顿的发现，给人类带来从未有过的自信。曾经匍匐在上帝脚下的人类，终于大胆地抬起头来，开始用自己理性的眼光打量世界。”这主要肯定牛顿的发现(　　)
A．直接推动天文学的革命
B．使人类彻底摆脱神学的束缚
C．促使人类开始关注现世生活
D．促成理性与思想的自由发展
解析：选D　本题主要考查启蒙运动的背景相关知识。材料“曾经匍匐在上帝脚下的人类，终于大胆地抬起头来，开始用自己理性的眼光打量世界”说明了牛顿力学对社会的影响，促使了理性思维在社会领域的出现，促使启蒙运动的发生，故本题选D。A、C错误，与本题无关。B错误，表述绝对化，因为当时的自然科学发展仍受到神学思想影响。
2.蒸汽机的发明和应用是第一次科技革命的巨大成就。下图蒸汽机发明的主要理论依据是(　　)
①力学三大定律　②万有引力定律　③热学原理　④光学原理
A．①②③④
B．①③
C．①②④
D．②③④、
解析：选B　第一次工业革命时期，蒸汽机的发明及运用成为其标志，因此历史学家称这个时代为“蒸汽时代”。蒸汽机主要的理论依据是力学原理与热学原理，故选B。万有引力定律揭示的是天体运动的规律，蒸汽机的发明与光学原理无关，排除A、C、D。
3.下图为英国纪念牛顿《自然哲学的数学原理》出版发行300周年的邮票，邮票中万有引力定律公式的背景就是一只红色的大苹果。这张邮票(　　)
①肯定了牛顿的伟大成就　②突出了牛顿善于观察思考的品质　③承认了科学研究中的偶然因素　④强调了万有引力定律完全是牛顿个人勤奋探索的成果
A．①③④
B．①②③
C．①②④
D．①②
解析：选B　邮票上“万有引力定律公式的背景就是一只红色的大苹果”，结合所学知识，从牛顿经典力学体系的创立过程进行分析：这一设计肯定了牛顿的成就，突出了他在科学领域勤于思考的品质，同时也承认了偶然因素在科学研究中的作用，但无法体现万有引力定律完全是牛顿个人勤奋探索的成果，实际上万有引力定律是有对前人研究的继承性的。故①②③正确，选B。
(一)本课测评
1.牛顿的一生有哪些重大理论发现?这些理论发现的贡献是什么?
答案提示:牛顿是英国物理学家、天文学家和数学家。
在天文学方面，他解释了潮汐现象，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;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"，并和菜布尼茨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"。在牛顿的著作《自然哲学的数学原理》中，他用数学解释了哥白尼的日心说和天体运动的现象。牛顿力学体系的建立是近代科学形成的标志，是人类认识史上对自然规律的第一次概括和总结。
学习延伸
2.阅读与思考结合牛顿的科学成就与研究方法，分析他这句话的含义。
答案提示:牛顿在大学里，就已经了解到哥白尼、伽利略和开普勒在天文学方面的研究成果，他相信开普勒提出的行星按一定轨道运行的理论。在此基础上，牛顿进一步思考行星为什么会这样运动，最终牛顿得出万有引力定律。牛顿所采用的“归纳一演绎"方法也是建立在伽利略，培根等科学家的研究基础上，他是第一个充分使用这种方法的人。牛顿把前人都看作自己的朋友，但又不盲目地迷信前人，而是不断发展、创新，所以牛顿说“我更好的朋友是真理”。
谢谢
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