2024年1月16日发(作者：)
第六单元第4课 近代科学之父牛顿
本课主要从三个方面介绍了近代科学之父牛顿在科学领域的伟大成就，以及取得这些成就的原因：牛顿早期的科学发明与创造、万有引力定律的发现、勤奋的探索和科学的研究方法。这些内容一方面介绍了牛顿一生的伟大科学发现和创造，说明牛顿为什么被称为“近代科学之父”，另一方面介绍了牛顿取得巨大成就的原因──勤奋的探索和科学研究方法，说明牛顿为什么能够成为“近代科学之父”。
一、早期的科学发明和创造
（1）牛顿的童年
牛顿生活的年代是17世纪中期至18世纪早期，正是欧洲社会发生巨大变革的伟大时代。资本主义进一步发展，自然科学有所突破，思想文化继承了文艺复兴时期的人文主义，进一步发展为启蒙运动时期的理性主义。
1642年，正当英国资产阶级革命时期，斯图亚特王朝的国王查理一世挑起内战的那一年，也是伽利略逝世的那一年，牛顿出生在英国北部一个叫乌尔索普的小村庄。他的父亲继承祖产，是当地一个有钱人。他的母亲汉娜是一个出身没落贵族家庭的有教养的大家闺秀。牛顿快要出生的时候，36岁的父亲突然病逝。据说牛顿出生的时候身体很弱，当时流传着这样一个小故事：“被雇来帮助牛顿母亲汉娜的两个女佣，被差遣去一个夫人家里拿药；很显然牛顿太孱弱了，这两个女佣取到药回来时，她们以为来不及了，那孩子必定已经死了，就坐在台阶前休息。”牛顿3岁的时候，母亲汉娜改嫁，牛顿的童年时代是和外婆一起生活的，一直到11岁母亲因第二位丈夫去世重新回到牛顿身边。童年时代的牛顿动手能力很强，他小时候制作的模型有能够运转的风车，牛顿有时候放一只小老鼠进去转动风车叶片；还有风筝、可用的日晷、纸灯笼等，在阴暗的早晨牛顿就打着自制的灯笼去上学。
（2）牛顿的中学时代
牛顿在格兰萨姆镇的国王中学上学，由于离家较远，租住在一家药房的楼上。房东先生是一位药剂师，平易近人，热情开朗，牛顿可以在他身旁看他工作和提出问题，从而给了牛顿早期的化学概念，也给了他自行做试验的机会。牛顿喜欢做试验，他把自己看到的现象都记录下来。有时候把药瓶旁边的说明书抄录下来，甚至自己还可能创造一些配方。在国王中学的时候，牛顿曾经与同学打架，那个同学的成绩比牛顿优秀。于是“战斗”结束以后，牛顿就宣布学习成绩一定要超过欺负过他的那个家伙，从此牛顿勤奋学习，在短期内成绩迅速超过了那个同学，而且跃居全班第一。牛顿16岁的时候，在学校里已经很有名气了，校长认定他是个应该进大学的候选人。可是，他的母亲汉娜并不重视教育，尽管她的哥哥受到剑桥大学的教育，但汉娜却认为没有多大必要让牛顿继续接受教育，不识字也能把农场经营得很好。校长的坚持使汉娜做出了一个决定，让牛顿辍学回家。在17世纪的时候，这个决定并不令人意外。辍学在家的牛顿总是寻找一切机会追求知识，表现出强烈的求知欲望，对农场上的工作显得心不在焉，被人们认为生活马虎、散漫。当地的地方法院至今仍记载着牛顿被处罚的情况：1659年牛顿被罚了3先令4便士，处罚原因是“放任他的羊群破坏了田野小树”。另外两次罚款，每次都是罚款1先令，是因为“放任他的猪群践踏玉米田”和“纵容他的田园篱笆毁损不予修理”。国王中学的校长看到牛顿展现出的无穷求知欲望，再次劝说汉娜，再加上汉娜哥哥（牛顿的舅舅）的劝说，汉娜终于同意让牛顿去上学了。这样，牛顿通过考试，在1661年成为剑桥大学的学生。
（3）牛顿的大学时代
牛顿是以减费生的资格进入剑桥大学的。17世纪的剑桥大学还不是一个纯粹研究学术的地方，大学当局不仅管理着学校和学生，而且还干预剑桥的市政，甚至连市长的决策都要受到大学当局的干预和反对。英国从亨利八世主政以来，国王有法定权力可关闭国内的任何
大学并占为己有，故而大学一向都效忠于王室。牛顿进入剑桥大学，只能处在社会的底层：减费生只比仆人好一点，要为特权学生收拾房间、清洗便器以贴补学费。
在剑桥大学，牛顿开始既不出色，也没有引起教授的注意。牛顿是一个向来专心用功的学生，大学的必修课程也要求十分紧迫，可是他的努力却大都花费在必修课程以外的知识上。牛顿和达尔文、爱因斯坦、霍金以及另外一些牛顿之后的伟大科学家一样，对于作为一个好学生所必须通过的许多考试，往往会准备不足。牛顿在考试所需复习的正式课程方面不甚用功，结果他毕业的时候没有得到什么特殊的荣誉。斯蒂克利（第一个写牛顿传记的作者）记述：“牛顿爵士在接受文学学士学位的仪式上被安排在第二列，属于人们戏称的输掉银币者”。（“输掉银币者”是指当时的一个传统：学生要向考试官缴纳9枚银币，如果学生考得好，考完之后银币发还给他；如果考得不好，钱就没收了。）但是，无论22岁的牛顿以何种成绩毕业，都不会影响他作为伟大科学家的声誉。更何况牛顿在大学毕业前夕，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。这一成就已经站在了当时数学研究领域的顶峰。所以有人说，即使牛顿没有别的成就，仅仅靠这个定理也足以使他在科学史上留下不朽的美名。
（4）牛顿的早期成就
牛顿从一个大学新生到成为剑桥大学卢卡斯讲座教授，总共费时8年。他以惊人的速度攀登学术地位的阶梯，也以惊人的速度同时进行科学和数学的研究工作，终于使他的名字镌刻在不朽的历史丰碑上。
巴罗教授是第一任卢卡斯讲座教授，这个职位的人选是由卢卡斯基金委员会指定的，只有真正有学问的人才能担任这一职务。1668年，巴罗教授推荐牛顿担任第二任卢卡斯讲座教授的职位，1669年牛顿就担任了这一职务（当时他还不到27周岁）。1665—1666年英国发生可怕的瘟疫，牛顿回到自己的家乡乌尔索普。这两年中，牛顿在光学、数学、力学等领域的研究都取得了重大的进展。可以说牛顿在乌尔索普的日子里产生了许多灵感和直觉，而且这些思想日后变成了伟大的定律，成为近代科技的基础。但乡居期间培养出来的思想并未成熟也未定型，这是牛顿的知识快速发展时期，也可以说是牛顿迈向成功的起步。关于牛顿与苹果的故事就是这个时候出现的，它说明牛顿开始思索重力观念的延伸问题。牛顿一生的工作习惯是手边能够拿到的，都可以用来写东西，在他母亲不久前用过的一张旧契约的背面，牛顿留下了他的思考历程。这张羊皮纸一直保留至今，上面写满了摘要和计算，那上面记载的东西最后导引出万有引力定律，但是也泄漏出牛顿那个时候的思考是不完善的。
1667年牛顿重新回到剑桥大学，为取得文学硕士和研究员资格做准备。对牛顿来说争取研究员资格的工作很重要，没有这个资格，他就无法继续留在剑桥，也许从此就默默无闻，或者到偏远地区当一个教区的牧师。经过严格的测试，牛顿终于成为剑桥大学的研究员。1668年牛顿成功地写了一篇著名的数学论文《无限级数的分析》。巴罗教授觉得这是一篇很有分量的论文，于是把它推荐给另外一位数学家、英国皇家学会院士约翰·柯林斯。柯林斯教授非常希望发表这篇论文，但巴罗无论怎样也无法说服牛顿答应。因为牛顿从来不发表那些自己认为半生不熟的概念，也不愿提出尚未用数学表达或以实验具体化的过程。最后，牛顿只同意巴罗教授把自己的名字透漏给柯林斯教授。尽管牛顿不愿意发表这篇论文，可还是同意把论文交给皇家学会的主席和有限的几位具备这方面专长的会员阅读。同年，牛顿在天文学研究领域也作出了很大成绩。他设计并制作了世界上第一架反射望远镜，牛顿通过这架望远镜，考察行星运动，分析潮汐现象，预言地球不是正球体。这架反射式天文望远镜是完全由牛顿自己独立完成的，他用自己的配方做成合金，制造反射镜，自己凿模子，自己打光、做镜筒、装置部件、调整角度距离等。这架望远镜清晰度极佳，可以清楚地观测到圆圆的木星及其卫星群，也可以看到金星的角。1671年底，牛顿勉强同意让巴罗将天文望远镜带往皇家学会。好几年以后，伦敦的工艺师们试图仿制一具可用来观测的反射式天文望远镜，结果统统失败。
牛顿在光学领域的研究也有了很大的突破。在剑桥大学的时候，牛顿就开始研究光学，做了许多实验，写下很多研究心得。他仔细地观察光线穿过羽毛和各种织物所产生的折射现象，记载下“用羽毛或黑纱挡在我的眼睛和照射进来的太阳光线之间，就可以看见没有的光彩”。牛顿通过三棱镜对太阳光进行反射试验，证明日光即白光是由七色光组成的，还进一步说明了物体颜色的形成原理。他的实验和结论奠定了后来光谱学的基础。
牛顿作为卢卡斯讲座教授，第一次上课就是以光学为主题，以自己的发现和严格的数学支持来讲课。可是他那一小群学生则茫然无知，谁也没有意识到牛顿所讲述的理论基础，正是他后来的著作《光学》中的材料，是他对物理世界伟大贡献的两大支柱之一。因此，牛顿第二次上课的时候没有一位学生来听，不但如此，甚至在后来的17年间，几乎每一次上课都一样。很少有学生去听他的课，更难得有学生听得懂他的课。
1672年，牛顿被选为英国皇家学会院士。这年牛顿将自己光学论文《关于光和色的新理论》送交学会。牛顿在这篇论文中提出光的本质是“微粒”的学说。这个学说与后来的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。
二、发现万有引力定律
（1）《自然哲学的数学原理》的发表
1687年牛顿的科学巨著《自然哲学的数学原理》发表，提出了物体机械运动的三大定律和万有引力定律，这些定律构成一个统一的体系，把天上和地上的物体运动概括在一个理论中，牛顿力学体系确立起来。人们把牛顿力学体系的建立作为近代科学形成的标志，认为这是人类认识史上对自然规律的第一次理论上的概括和总结，所以有人把它誉为“从古至今最伟大的科学巨著”。
促成这部伟大科学巨著诞生的是英国著名天文学家哈雷。1684年的一天，有三个人约好在伦敦的一家咖啡馆见面，一个是牛顿，另一个就是哈雷，还有一个是牛顿学术上的死对头胡克。哈雷一向对行星运行的原理很感兴趣，他向另外两位请教一个问题：“行星环绕太阳运行的作用力，会与其跟太阳的距离平方成反比吗？”虽然胡克指出根据此原理的所有天体的运动定律都有待于证明，胡克还说他已经证明过这个结果，只是不愿意向任何人透漏这个秘密，胡克并没有作出令人信服的解释。哈雷在与牛顿的接触中，逐渐摸到他的脾气。有一天哈雷问牛顿：“如果行星受太阳的吸引，且它们之间的作用力和它们的距离平方成反比的话，依你看来行星所走的路线是什么形状呢？”牛顿毫不犹豫地回答是椭圆形的。哈雷博士既惊喜又诧异，连忙问他是怎样知道的？牛顿回答说：“怎么，是我计算出来的呀！”哈雷当场请教计算的方法。牛顿立即在纸堆中翻寻，可是他找不到计算的草稿，他答应重新计算并以后寄给哈雷。
哈雷等了三个月，终于得到了一本超过他所期望的文稿，名为《绕转物体的研究》，这就是后来《自然哲学的数学原理》的初稿。
（2）《自然哲学的数学原理》的意义和地位
《自然哲学的数学原理》这本书最后于1687年才出版。但是在发行之后的10年间，第一版的销售量不超过数百套。可是今天，这本书已经发行了不止100版，它的译本几乎涵盖了世界上的每一种文字。这本书的出版像一阵旋风席卷了整个欧洲，受到各种各样的评审。哈雷第一个在皇家学会的《通报》中发表了书评，随后的一年中，欧洲大陆的学术杂志都陆续出现了该书的书评，这些评论终于确立了牛顿的国际声誉。
《自然哲学的数学原理》的贡献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，同时这本书也打开了工业革命的大门。牛顿除了解决潮汐如何产生、彗星如何划越天空等困惑人类的古老问题之外，还引入了较新的观念，为力学和动力学的研究奠定了基础，在其后的一个世纪内，创造了持久且真实的人类文明演变。若没有这样的了解，大自然的各种力就不会得到利用，而这正是工业革命的成就：它将
人类从黑暗中，从对大自然的奇想中，拉往科技时代，拉向操控宇宙之力的时代。
三、勤奋的探索和科学的研究方法
（1）牛顿的勤奋探索
牛顿对科学研究的专注程度已经达到狂热的地步，让他身边的人都感到吃惊。有一个叫汉弗莱的人，曾经做过牛顿的助手，协助牛顿抄写文件和做实验。他对牛顿写《自然哲学的数学原理》那段时间的生活做了这样的描述：“他对自己的研究是如此专注和认真，以致他吃得很少，时常根本忘记了要吃东西……他难得上床睡觉，直到清晨两三点、甚至五六点才就寝，也仅睡四五个小时而已。特别是春天和秋天，他经常把自己留在实验室里，有一回长达六星期之久。炉火日夜不停地燃烧，他整夜地坐守在火炉旁，然后下一夜轮到我看守，如此轮替直到他完成化学实验为止。”
由于牛顿不愿意在完全准备妥当之前透露他的构想，所以他几乎发狂地工作。汉弗莱说：“我从来没有见过他做过任何运动或休闲活动，既不骑马兜风、散步，也不玩滚木球或任何其他运动。他几乎从不离开书房，好像一分钟不做研究就会损失几小时的宝贵光阴。他既努力又认真……他吃得很少，时常还忘记了吃东西，我有时到他的书房发现他完全没有碰过食物。当我提醒他时，他会说‘我没吃吗？’。然后走到旁边，站着吃一两口就算吃过饭了。我可以说，我从未看过他坐在餐桌旁吃饭。”
（2）科学的研究方法
中世纪时候，靠推理得出结论的研究方法十分盛行。到文艺复兴时代，意大利科学家伽利略自制望远镜观察天体，发现了许多以前无法用肉眼看到的星体，为科学发展做出了很大的贡献。他注重实验和实践，创立了实验和论证相结合的研究方法，被视为近代实验科学的奠基人。培根提出了唯物主义的科学研究方法。牛顿就是在前人方法的基础上从事科学研究的。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，这是近代科学研究方法，牛顿是第一个充分使用这种方法的人。正因为牛顿这种严谨的科学态度和勤奋的探索精神相结合，使牛顿做出了科学史上的伟大发现，并为近代科学的发展奠定了基础。
通过介绍牛顿的纪念碑来总结牛顿一生的工作和成就。1727年4月4日，牛顿下葬于西敏寺。四年之后，后人为牛顿修建了一座巴洛克式的纪念碑，表现出牛顿一生多方面的工作和成就。景观中有一群小天使，其中一个玩弄棱镜，一个玩弄望远镜，还有一个手拿一枚新铸的金币（牛顿曾经负责造币厂的工作）。牛顿的浮雕是整个纪念碑的主体，被一群小天使围绕着，他严肃地倚着四本成垒的书，书名是《光学》和《原理》、《神学》、《年代学》。
思维拓展
1．你怎样看待牛顿的学习方法？
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—演绎”科学研究方法是一致的。
2．牛顿一生有哪些重大理论发现？这些理论发现的贡献是什么？
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”，并和莱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。
典型例题
【例1】牛顿说：如果说我比别人看得远些，那是因为站在巨人肩上的缘故。他所说的巨人不包括（ ）
A．笛卡儿 B．哥白尼 C．伽利略 D．爱因斯坦
【解析】D
【例2】威斯敏斯特教堂的一块墓碑上写着：自然界和自然规律隐蔽在黑暗中，上帝说，让他出生吧，于是一切都成为光明。其中的他是指（ ）
A．巴罗 B．笛卡儿 C．牛顿 D．伽利略
【解析】C
【例3】牛顿的《自然哲学中的数学原理》的内容不包括（ ）
A．确定了万有引力三定律 B．解释了潮汐现象
C．地球的圆扁形状 D．提出了光的本质和微粒的见解
【解析】D
【例4】下列不是牛顿在光学领域取得的成就是（ ）
A．日光是由七色光组成的 B．发明世界第一架反射望远镜
C．提出微粒说 D．提出波动说
【解析】D
【例5】牛顿万有引力定律的发现缘于对哪一领域成就的思考（ ）
A．光学的领域 B．天文学领域 C．数学领域 D．经典力学领域
【解析】B
