牛頓為什麼會研究力和運動?萬有引力定律、牛頓定律是這樣產生的

2020-12-11 超超July

牛頓出生在林肯郡的伍爾索普(Woolsthorpe),他的誕生伽利略的死是在同一年。在他12歲時,他的母親送他到格蘭薩姆公立學校讀書,在這所學校裡,他開始表現出對機械發明有明顯興趣。他製作了一架水鍾、一個風磨,由坐在車裡面的人驅動的車子和其他玩具。

1660年,他進入劍橋大學三一學院讀書。劍橋是牛頓天才的誕生地。當他還是一個大學生時他讀過的一些物理學著作中就有克卜勒的《光學》巴羅的《講義》。在那個時候,他已經形成他的一些最偉大的發現的初步概念

牛頓漫畫像

牛頓在1666年說:「我開始想到把重力推廣到月球的軌道上…因而把維持月球在它的軌道上所需要的力和地球表面的重力作了比較。」

上述關於萬有引力的想法出現在他腦中時,他正在林肯郡的家裡,他在家裡躲避那時正在劍橋流行的瘟疫。彭伯頓作了如下詳細的敘述:「當他獨自坐在花園裡時,他沉浸關於重力思考中。他發現重力從地球的中心到我們所能上升到的最遠距離都不會有明顯的減弱、不管是在最高的樓頂還是高山的頂峰,都沒有明顯的減弱

劍橋大學

在他看來,有理由作出這個結論,即這個必定延伸比我們通常所想像的距離還要遠。他自言自語道:為什麼不能高達月球呢?如果是這樣,月球的運動肯定受到重力的影響,或許它因此有可能保持在它的軌道上。」

正如牛頓所猜想得,也如胡克、惠更斯、哈雷、雷恩和其他人所猜想到的那樣,即如果克卜勒第三定律(行星運轉的時間的平方與它們和太陽之間的距離的立方成正比)是正確得,那麼,地球和太陽系的其他行星與太陽之間的吸引力與距離的平方成反比。克卜勒第三定律的準確性在那時是受到懷疑的。證明上述猜想,需要的正是牛頓的天才。

牛頓雕像

萬有引力定律產生了。

再有運動和力的關係用一個規律不能說明那麼多的問題,所以牛頓用了三個

隨著人們對物理現象的研究,人類的正確認識也是逐步完善的。從物理學的發展史來看,科學家們(伽利略等)是先認識到力不是住維持物體運動的原因,而是改變物體運動狀態的原因,這就是牛頓第一定律的雛形。後來由牛頓進行了總結,產生了牛頓第一定律(又稱慣性定律)。

人們由於慣性再次上升到過山車山頂

人們對於牛頓第一定律所能能回答的問題範圍並不滿足,力和運動狀態改變之間存在一個什麼樣的定量關係?這是牛頓用牛頓第二定律(F=ma)解決的。

再者從力的概念上來看,力是物體和物體之間的相互作用,那麼這個相互作用的二個力又是什麼關係?這就總結出了牛頓第三定律:力的的作用總是相互的,作用力與反作用力總是大小相等、方向相反,作用在同一條直線上。(補充:作用力與反作用力分別作用在不同的兩個物體上,且同性質,同時產生,同時消失,即「同生同滅」。)

作用力和反作用力

所以牛頓研究力和運動,本身在那個時代就已經有了前人的思考、想法,牛頓更多地是做了猜想、驗證,用最簡單的數學語言描述了出來。我想,牛頓不僅是物理學家、數學家、科學家,更像是翻譯家,將物理語言翻譯成了人們能讀懂的定律、數學表達式。

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    在那個神奇的假期裡,一個蘋果偶然從樹上掉下來,這卻是人類思想史的一個轉折點,它使那個坐在花園裡的人的頭腦開了竅,終於牛頓發現了對人類具有劃時代意義的萬有引力定律—— F=GmM/r2()其中G為引力常量,m1和m2分別表示兩個物體的質量,r為兩個物體的距離。
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    不管蘋果落下來還是沒有落下來,人們怎麼能夠相信,會在加速或者減速那樣一種方式下有這樣的一個發現?毫無疑問,這件事只是類似的一些說法而已。有一個愚蠢而又令人討厭的人來找牛頓,問他如何產生這個偉大的發現的。牛頓相信,這個人是個大傻瓜,因此便想攆走他。他說,蘋果落在了他的鼻子上,這個人就對此十分清楚了,很滿足地離開了。」
  • 牛頓定律
    理解:力是改變物體運動的原因,不是維持物體運動的原因。3.發展:人類對運動和力的關係的探索研究運動和力的關係,是動力學的基本問題。A.十七世紀前亞里斯多德的錯誤觀點:力是維持問題運動的原因。理解:①公式:F合=ma②力是改變物體運動狀態的原因。因為有了力才會產生加速度。③1N的規定:使質量是1千克的物體產生1m/s2加速度的力是1N。1N=1m/s2④加速度是矢量,其方向和合外力方向相同。⑤牛頓第一定律定性的描述了運動與力的關係。