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

2020-12-06 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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  • 高考物理知識點:牛頓運動定律
    ★1.牛頓第一定律:一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態,直到有外力迫使它改變這種運動狀態為止。   (1)運動是物體的一種屬性,物體的運動不需要力來維持。   (2)定律說明了任何物體都有慣性。
  • 加急更新:牛頓的萬有引力定律存在巨大誤區
    其實不然,首先,重力是地球自轉的向心加速度的力場和空氣的阻隔共同產生的。並不是因為地球的吸引力讓你受制,而是在地球自轉的向心加速度,這個向心加速度受空氣阻隔再向內回收形成力場,以及大氣層空氣濃度不同形成的壓迫和阻力,共同形成了重力。
  • 牛頓雖然發現了萬有引力定律,但不會做出任何的說明!
    牛頓雖然發現了萬有引力定律,但是,他決不企圖對萬有引力的本質和原因作出任何說明。他公開表明:「直到現在,我還未能從現象中發現重力所以有這些屬性的原因,……對我們來說,能知道重力確實存在,並且按照我們所已說明的那些定律起著作用,就已經足夠了。」
  • 為什麼只有牛頓發現了萬有引力?那隻蘋果如何引發牛頓探索科學?
    還有一個就是今天所要說的掉在牛頓頭上的蘋果,牛頓因這個蘋果產生靈感,領悟出萬有引力定律,奠定了人類經典力學的基礎,也成為了膾炙人口的故事。那麼世界自有人類以來這麼長的歷史,為何這個蘋果唯獨掉在了牛頓頭上?
  • 牛頓提出的第四個定律,你知道是哪個定律嗎?
    牛頓牛頓曾經說過他的成功是因為站在了巨人的肩膀上,確實,前人的研究給他帶來了不少的啟發和幫助。《原理》中向我們展示了大設計,它的基本理念就是力、質量和速度。牛頓還提出了第四運動定律,這一個定律也在《原理》中有解釋。
  • 牛頓運動定律在這裡失效了,慣性力來救場
    汽車在路上行駛著,突然間一個急剎車,車上的乘客會猛地向前傾。這是由於乘客保持了之前運動狀態的緣故,這種性質就是慣性。把一隻保齡球拋出去,球在脫離手之後就失去了動力來源,球能夠繼續向前運動靠的就是慣性。在亞里斯多德及之後一千多年裡,人們普遍認為力是維持物體運動的原因,這樣豎直向上拋出去的石頭之所以能向上運動是因為受到了向上的「衝力」。直到伽利略、牛頓時代,人們才認識到物體的運動不需要力去維持,物體能夠繼續向前運動靠的是慣性。慣性是物體的固有屬性,並不是物體受到的力。