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1、苹果启发了牛顿（四）,学习目的 通过对物理学家成才史的学习，使学生认识到物理学的许多重大发现，来源于平时的日常生活和敏锐的观察力。重点 培养学生学习物理的兴趣、实事求是的科学态度和良好的学习习惯。难点 实验方法归纳。德育教育 结合物理教学对学生进行辩证唯物主义教育、爱国主义教育和品德教育,伦敦威斯敏斯特教堂安葬着英国各个时期许多杰出的人物，凡是有机会 来此地的人，必定会怀着特别激动和崇敬的心情在刻着碑文“伊萨克牛顿长眠在此”的墓碑前默立，缅怀这位人类万有引力定律的发现者。在牛顿的 铸像上刻着古罗马诗人和哲学家卢克莱修的一句话：“他的智慧超人”。这句话充分表达了后世人对牛顿的天才的钦佩。曾有一些
2、名人对牛顿的科学贡 献，作过这样的评价：“牛顿借助万有引力定律而创立了科学的天文学，,借 助于对光的分解而创立了科学的光学，借助于二项式定理和无穷级数理论而 创立了科学的数学，借助于对力的本性的认识而创立了科学的力学。”诺贝尔物理学奖获得者，丹麦原子物理学家玻尔说：“说得正确些，牛顿不仅把当时已知的全部知识整理归纳在一起，而且是非凡的天才，能够预见到未来 的科学发现和科学的进一步发展。”这些评价是一点也不过头，而是恰如其 分的。,1642 年 12 月 25 日的早晨，在英国北部林肯郡的一个名叫乌尔斯索普的 村庄里，一个年轻而又虚弱的母亲生下了一个只有 3 磅重的婴儿。给他接生 的产婆甚至没有
3、料到这个瘦弱的、先天不足的、苍白的畸形小孩会活下来。她说：“咳，这么一个小不点儿，我简直可以把他塞进一只杯子里去！”这 就是命运将这个叱咤风云的科学家牛顿诞生到世界上来的那种如同玩笑 似的方式。牛顿是个遗腹子，在他出生前几个月，他的父亲因病去世。,3 年后，他 的母亲为生活所迫改嫁给一个牧师，搬到别的地方，把牛顿交给他的外祖母 抚养。直到牛顿 14 岁时，母亲改嫁后的丈夫病故后，她才重新回到家乡，把 牛顿从寄宿学校里接回家来。少年时代的牛顿爱好数学，注意观察周围的事物，尤其喜欢动手制作各 种机械玩具。他把平时省下来的零用钱买了小锯子和铁锤等各种工具，动手 模仿或设计制造各种各样的小东西。,有一
4、天，他对房东药剂师的小舅子说：“可以将地下室里的那个木桶给 我吗？我将用它做一只钟，我有把握说，你将再不会因为不知道准确时间而 迟到了。”于是，他动手做了一只“水钟”。他在木桶里刻了一些线条，桶 底开了个小洞，每天早晨，将适量的水注入桶内，等水漏到某一刻线，就是 正午，即吃午饭的时候。离他外祖母家不远的地方，有一架风车。牛顿经常跑到那里去仔细观察，,而且，推动风车转动的，不是风而是动物。他别出心 裁地把一只老鼠缚在一架有轮子的踏车上，然后在轮子前面，在这个饥饿的 踏车老鼠恰恰可望而不可及的距离处，放上一粒玉米。老鼠想吃玉米，就踏 呀，踏呀，使轮子转个不停。牛顿兴奋地叫道：“相信大自然是会叫机械
5、转 动的！”念中学时，校长斯托克斯发现了牛顿，认为牛顿具有超人的理解和观察 能力，对牛顿十分器重，牛顿的才华也日益显露出来，在中学里成绩一直名 列前茅。,牛顿充满理想，脑子里总想着各种学习问题。母亲让他放牧，他牵马上 山，边走边想着天上的太阳，待走到山顶想骑马时，马早已跑得无影无踪了，自己手里只剩下一条缰绳；叫他放羊，他专心致志地在树下看书，以致羊群 走散，糟塌了庄稼。舅父叫佣人陪他一起上市场，让他熟悉一下做交易的生 意经。但是，每次走近镇子的时候，牛顿便恳求佣人一个人去镇上做交易。,他说：“在回来时，你可以到这儿来找我，我将在小树丛后面读我的书。”每次交易的成功，使牛顿的舅父对生意的真实性起
6、了疑心。一天，他跟 踪牛顿上集镇去，发现牛顿伸着腿，躺在草地上，正在聚精会神地研究一个 数学问题。牛顿的舅父无可奈何地说：“伊萨克，还是回去念你的书吧！”1658 年，牛顿作了第一次物理实验，测量顺风跳跃和逆风跳跃的距离，为了测验风力，顿在暴风雨中跑来跑去，,淋得浑身湿透，把他母亲吓坏了，以为他“疯”了。19 岁时，勤奋好学的牛顿以优异的成绩，考入了著名的剑桥大学三一学院。学院优越的教学设备、众多的图书资料、浓厚的学术气氛，以及许多享 有盛誉的老师，使牛顿获益匪浅。大学期间，他更加刻苦攻读，悉心钻研数 学、光学和天文学，为后来的重大科学发现打下了坚实的基础。学院里的巴罗教授发现牛顿具有非凡的才
7、能，推荐他当研究生，,并为他 指出了攀登科学高峰的方向。1664 年，经过考核，巴罗让牛顿做他的助手。第二年，牛顿获剑桥大学学士学位，大学毕业后牛顿留在大学研究室，开始 了他的科研生涯。1665 年 6 月，一场可怕的瘟疫在伦敦流行，剑桥大学被迫停课，牛顿因 此回到故乡。在家乡躲避瘟疫的 18 个月，可以说是牛顿一生中最重要的一个 时期。这期间，他系统地整理了大学里学习过的知识，,潜心钻研开普勒、笛 卡尔、阿基米德、伽利略等前辈科学家的主要论着，还进行了许多科学试验。几乎他所有最重要的发现：万有引力定律、经典力学、微积分、光学等基本 上都萌发于这段时期。万有引力定律的发现是牛顿在自然科学中最辉
8、煌的成就。在乡下时，牛 顿非常注意观察太阳、月亮和星辰的运行。脑海里经常长久地思考着一个问 题：对于天体的运动能不能从动力学的角度去解释？,1666 年的一天，牛顿正坐在花园里的苹果树下专心地思考着地球引力的 问题，忽然，一只熟透了的苹果从树上掉下来，正好打中牛顿的脑袋，然后 滚落进草地上一个小坑洼里。牛顿顾不得去揉一揉被苹果打疼的脑袋，便被 苹果落地这一十分普通的自然现象所吸引。他问自己，苹果为什么不掉向天 空，却偏偏落向地面呢？如果说苹果有重量，那么重量又是怎样产生的呢？牛顿进一步思索着苹果和地球之间相互吸引的问题。,他想，地球大概有某种 力量，能把一切东西都吸向它吧。物体所具有的重量，可
9、能就是受地球引力 的表现。这说明苹果和地球之间有相互引力，而这种引力在整个宇宙空间可 能都是存在的。他将人们的想象由一只苹果的落地引向了星体的运行。牛顿思索着，他想：地球的引力如果没有受到阻止，那么月亮是否也会 受到地球的吸引力呢？月亮总是按照一定的轨道，绕地球旋转而不会越轨跑 掉，,不正是地球对它有吸引作用的结果吗？他又进一步推想到：各个行星之 所以围绕着太阳运转，也必定是太阳对它们的吸引作用产生的。牛顿在探索苹果落地之谜后得出结论：“宇宙的定律就是质量与质量间 的相互吸引。”从行星到行星，从恒星到恒星，这种相互吸引的交互作用，遍及无边无际的空间，使宇宙间的每一事物都依照它的既定的轨道，在既
10、定 的时间，向着既定的位置运动。,牛顿把这种存在于整个宇宙空间的相互吸引 作用称之为“万有引力”。从 1665 年起，牛顿开始用严密的数学手段来进一步研究物体运动的规律 和理论。他从动力学的角度分析认为：开普勒所提出的行星运动的三个定律 都是万有引力作用的结果。于是，牛顿从这些定律入手，通过一系列的数学 推论，用微积分证明：开普勒第一定律表明太阳作用于某一行星的力是吸引 力，它与行星到太阳中心的距离的平方成反比；,开普勒第二定律表明作用于 行星的力是沿着行星和太阳的连线方向，这个力只能起源于太阳；开普勒第 三定律表明太阳对于不同行星的吸引力都遵循平方反比关系。接着，牛顿从 对天体运动的分析中，
11、得出普遍的万有引力定律。牛顿发现万有引力定律后，并没有立即发表这个理论，他仍在冷静地深 思和研究。一方面，他要对这个定律的每个环节作出严密的数学论证；,另一方面，还要对这一理论作出切实可靠的实践检验。牛顿克服了巨大的困难，花费了 10 多年的心血，1687 年，在英国著名天文学家哈雷等人的支持和赞 助下，牛顿的不朽名着自然哲学的数学原理终于问世了。在这部共 500 多页的名着中，包括了极其丰富的内容。牛顿论述了科学研究的方法；木星、月亮、彗星等天体的运动；海水的涨潮和落潮；振动和声波的性质等问题，,但贯穿全书并构成全书核心的则是力学的三大定律和万有引力定律。自然哲学的数学原理的出版，标志着经典
12、力学体系的建立。牛顿发 现万有引力定律是他在自然科学中最辉煌的成就。从苹果落地到万有引力定 律的发表，先后经历了 10 多个年头，凝聚着牛顿多少心血啊！后世的人们，一直把苹果落地的故事当作牛顿发现这一伟大定律的一个标记。,在牛顿家的 花园里，那棵当年落下苹果击中牛顿头的苹果树，一直被后人精心地护理着，吸引着无数慕名前来的参观者。1820 年，这棵树死后，还被当作珍贵的纪念 物，分成好几段，分别保存在英国皇家学会等处。而“苹果落地”的故事则 成为科学史上的一段佳话，在民间广为传诵。牛顿在科学史上的崇高地位是举世公认的。他一生中，不仅为经典力学 奠定了基础，而且在热学、光学、天文、数学等方面都作出
13、了卓越的贡献。,在光学方面，牛顿用三棱镜对太阳光进行分析，结果发现当一束日光 过棱镜之后，会产生折射，白色的光散开，成为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种不同颜色的光。他还发现，当把其中任何一种颜色的光再射过第二个 棱镜时，它不会再分散成别的颜色的光。而太阳光透过蒙蒙雨雾，产生彩虹，也是同样的道理。牛顿经过反复实验，细心观察，得出了日光是由有色光组成的结论，从而为现代光谱学奠定了基础。,1704 年，牛顿出版了光学一 书，书中汇集了他研究光现象的全部成果。这部着作至今仍是细密又精确地 描写物理实验的典范，而用三棱镜做实验成了经典实验项目，一贯地被应用 于物理学上。在研究光学的基础上，牛顿发明了世界
14、上第一架反射望远镜，使人类对 天体的观察进入一个新阶段。1668 年，牛顿造的第一架反射望远镜长 6 寸，直径只有 1 寸，但却可以放大 40 倍，,一般 4 尺长的大望远镜都不及他的这台 小望远镜。后来，他又做了一台较大的望远镜，并把它送给伦敦皇家学会，上面的题词是：伊萨克牛顿发明并于 1671 年亲自制造。就在这一年，牛顿 就被选为英国皇家学会会员。目前，世界上最大的望远镜都是这种反射望远 镜，虽然比牛顿的反射望远镜大了差不多上百倍，但构造与牛顿做的几乎完 全一样。1703 年，牛顿当选为皇家学会会长，以后他每年都连选连任，直到1727 年 3 月 20 日去世。,牛顿一生是独自度过的，没
15、有结过婚。在他青年时代，曾经与他的表妹相恋过。有一次，他轻轻地握着表妹的手，含情脉脉地看着这位美人。正在 这紧要时刻，他的心思忽地溜到另一个世界去了，头脑中只剩下了无穷量的 二项式定理。这时，已经走神的思想又开了小差，像做梦似的，他的手抓住 了情人的一个手指，错把手指当成通烟斗的通条了，硬往烟斗里塞。,表妹痛 得大叫起来，牛顿这才清醒过来，满面羞愧地连连道歉：“啊！亲爱的，饶 恕我吧！我知道，这是不行了。看来，我是该一辈子打光棍的！”就是因为 太专心研究学问了，牛顿始终未能解决自己的终身大事。牛顿似痴似疯地学习和研究，一生闹了许多笑话。一次，牛顿边读书边 煮鸡蛋，待他想吃鸡蛋，揭开锅子一看，里
16、面煮的竟是他的怀表。原来，他脑子里总想着研究的问题，鸡蛋没有放进锅里，却把怀表扔了进去。,还有一 次，牛顿家里来了一位分别已久的好朋友。牛顿十分高兴，请朋友一同吃饭，菜已摆好，牛顿想起家里还有一瓶高级葡萄酒，便对朋友说：“我有一瓶很 好的葡萄酒。让我去拿来一同喝吧！”他请朋友稍等片刻，自己去拿酒。可 是，朋友等了好久，仍不见牛顿回来。于是，朋友去找牛顿，发现他正聚精 会神地在实验室中埋头搞他的研究呢！原来，牛顿在拿酒的时刻，,忽然想起 一个问题，需要试验一下，竟把拿酒和请朋友吃饭的事忘得精光。牛顿，这位为人类科学树立了丰碑的伟大科学家，在临终前谦虚地说：“在科学的道路上，我只是一个在海边玩耍的小孩子，偶然拾到一块美丽的 石子。至于真理的大海，我还没有发现呢！”“如果我的见识，真有超过笛 卡儿的地方，那也因为我是站在前辈伟人的肩膀上，才能望得远啊！”,
