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伟大科学家的生平成就
1.
人物生平:
艾萨克·牛顿
爵士是人类历史上出现
过的最伟大、最有影响的科学家,同时
也是物理学家、数学家和哲学家,晚年醉心于炼金
术和神学。他在
1687
年
7
月
5
日发表的
不朽著作
《自然哲学的数学原理》
里用数学方法阐明了宇宙中最基本的法
则——万有引力定
律和三大运动定律。
这四条定律构成了一个统
一的体系,
被认为是“人类智慧史上最伟大的
一个成就”,
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由此奠定了之后三个世纪中物理界的科学观点,
并成为现代工程学的
基础。
牛
顿为人类建立起“理性主义”的旗帜,
开启工业革命的大门。
牛顿逝世后被安葬于威斯敏斯
特
大教堂,成为在此长眠的第一个科学家。
科研成就:
力学方面的贡献
牛顿在伽利略等人工
作的基础上进行深入研究,
总结出了物体运动的三个基本定律
(
牛
顿三定律):①任何物体在不受外力或所受外力的合力为零时,保持原有的运动状态不
变,
即原来静止的继续静止,
原来运动的继续作匀速直线运动。
②任何物体在外力作用下,
运动
状态发
生改变,
其动量随时间的变化率与所受的合外力成正比。
通常可
表述为:
物体的加速
度与所受的合外力成正比,
与物体的质量成反比,
加速度的方向与合外力的方向一致。
③当
物体甲给物体乙一个作用力时,
物体乙必然同时给物体
甲一个反作用力,
作用力和反作用力
大小相等,
方向相反,
而且在同一直线上。
这三个非常简单的物体
运动定律,
为力学奠定了
坚实的基础,
并对其他学科的发展产生了巨大影响。
第一定律的内容伽利略曾提出过,
后来
R.
笛卡儿作过形式上的改进,
< br>伽利略也曾非正式地提到第二定律的内容。
第三定律的内容则
是牛顿在总结
C·
雷恩、
J·
p>
沃利斯和
C·
惠更斯等人的结果之后得出的
。
牛顿是万有引力定律的发现者。
他在
1665
~
1666
年开始考虑这个问题。
1679
年,
R·
胡
克在写给他的信中提出,
引力应与距离平方成反比,
地球高处抛体的轨道为椭圆,
假设
地球
有缝,抛体将回到原处,而不是像牛顿所设想的轨道是趋向地心的螺旋线。牛顿没有
回信,
但采用了胡克的见解。
在开普勒行星运动定律以及其他人
的研究成果上,
他用数学方法导出
了万有引力定律。
牛顿把地球上物体
的力学和天体力学统一到一个基本的力学体系中,
创立了经典力学理
论体系。
正确地反映了宏观物体低速运动的宏观运动规律,
实现了自然科学的第一次大统一。
这是人类对自然界认识的一次飞跃。
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牛顿指出流体粘性阻力与
剪切率成正比。
他说:
流体部分之间由于缺乏润滑性而引起的<
/p>
阻力,
如果其他都相同,
与流体部分之间
分离速度成比例。
现在把符合这一规律的流体称为
牛顿流体,其
中包括最常见的水和空气,不符合这一规律的称为非牛顿流体。
在给出平板在气流中所受阻力时,
牛顿对气体采用粒子模型,
得到阻力与攻角正弦平方
成正比的结论。
这个结论一般地说并不正确,
但由
于牛顿的权威地位,
后人曾长期奉为信条。
20
世纪,
T·
卡门在总结空气动力学的发展时曾风趣地说
,牛顿使飞机晚一个世纪上天。
关于声的速度,
牛顿正确地指出,
声速
与大气压力平方根成正比,
与密度平方根成反比。
但由于他把声
传播当作等温过程,结果与实际不符,后来
P.-S.
拉普拉斯
从绝热过程考虑,
修正了牛顿的声速公式。
数学方面的贡献
17
世纪以来,
原有的几何和代数已难以解决当时生产和自然科学所提出的许多新问题,
例如:
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如何求出物体的瞬时速度与加速度?如何求曲线的切线及曲线长度
(
行星路程)
、
矢
径扫过的面积、极大极
小值(如近日点、远日点、最大射程等)、体积、重心、引力等等;
尽管牛顿以前已有对
数、
解析几何、
无穷级数等成就,
但还
不能圆满或普遍地解决这些问题。
当时笛卡儿的《几何学》和瓦里斯的《无穷算术》对牛
顿的影响最大。牛顿将古希腊以来求
解无穷小问题的种种特殊方法统一为两类算法:正流
数术(微分)和反流数术(积分),反
映在
1669
年的《运用无限多项方程》、
1671
年的《流数
术与无穷级数》、
1676
年的《曲
线
求积术》三篇论文和《原理》一书中,以及被保存下来的
1666
年
10
月他写的在朋友们
中间传阅的
一篇手稿《论流数》中。所谓
“
流量
”
就是随时间而变化的自变量如
x
、
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y
、
s
、
u
等,
“
流数
”
就是流量的改变速度即变化率,写作等。他说的
“
差率
”“
变率
”
就是微分。与此同
时,他还在
1
676
年首次公布了他发明的二项式展开定理。牛顿利用它还发现了其他无穷级
数,并用来计算面积、积分、解方程等等。
1684
年莱布尼兹从对曲线的切线研究中引入了
和拉长的
S
作为微积分符号,从此牛顿创立的微积分学在大陆各国迅速推广。
微积分的出现,
< br>成了数学发展中除几何与代数以外的另一重要分支
——
数
学分析
(牛顿
称之为
“
借助于无限多项方程的分析
”
),并进一步进进发展为
微分几何、微分方程、变分法
等等,
这些又反过来促进了理论物
理学的发展。
例如瑞士
J.
伯努利曾征
求最速降落曲线的解
答,这是变分法的最初始问题,半年内全欧数学家无人能解答。
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1697
年,一天牛顿偶然听
说此事,当天
晚上一举解出,并匿名刊登在《哲学学报》上。伯努利惊异地说:
“
从这锋利
的爪中我认出了雄狮
”
。
牛顿在前人工作的基础上,
提出
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“
流数
(fluxion)
法
”
,
建立了二项式定理,<
/p>
并和
G.W.
莱布
尼茨几乎同时创立了微积分学,
得出了导数、
积分的概念和运
算法则,
阐明了求导数和求积
分是互逆的两种运算,为数学的发
展开辟了一个新纪元。
光学方面的贡献
牛顿曾致力于颜色的现象和光的本性的研究。
1666
年,他用三棱镜研究日光,得出结
论:白光是
由不同颜色
(
即不同波长
)
的光混合而成的,不同波长的光有不同的折射率。在可
见光中,红光波长最
长,折射率最小;紫光波长最短,折射率最大。牛顿的这一重要发现成
为光谱分析的基础
,
揭示了光色的秘密。
牛顿还曾把一个磨得很精、
曲率半径较大的凸透镜
的凸面,
压在一个十分光洁的
平面玻璃上,
在白光照射下可看到,
中心的接触点是一个暗点,
周围则是明暗相间的同心圆圈。后人把这一现象称为
“
牛顿环
”
。他创立了光的
“
微粒说
”
,从
一个侧面反映了光的运动性质,但牛顿对光的
“
波动说
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”
并不持反对态度。
1704
年,他出版
了《光学》一书,系统阐述他在光学方面的研究成果。
热学方面的贡献
牛顿确定了冷却定律,
即当物体表面
与周围有温差时,
单位时间内从单位面积上散失的
热量与这一温
差成正比。
天文学方面的贡献
牛顿
1672
年创制了反射望远镜。他用质点间的万有引力证明,密度呈球对称的球体对
外的引力都
可以用同质量的质点放在中心的位置来代替。
他还用万有引力原理说明潮汐的各
种现象,
指出潮汐的大小不但同月球的位相有关,
而且同太阳的方位有关。
牛顿预言地球不
是正球体。岁差就是
由于太阳对赤道突出部分的摄动造成的。
哲学方面的贡献
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