牛顿的科学学习方法.doc

【工业革命简介】课堂讨论专题论文专 题 题 目：牛顿在科学方法上的特点与贡献指 导 老 师：方文熙学 院：福建农林大学东方学院 专业（方向）年级：金融学（国际方向）（2）班学 号：071913032 学 生 姓 名：林世明2008年 05 月 23 日 牛顿在科学方法上的特点与贡献【牛顿的科学研究方法】 【牛顿在科学方面给世界人们带来的贡献】 牛顿是有史以来最伟大，最有影响力的科学家。他于1642年圣诞节那天诞生在英格兰的伍尔托斯普。牛顿定律及其世界体系的建立，是人类认识客观世界过程中的一次飞跃。美国科学史家Kuhn把它称为科学革命。如果日心说是第一次科学革命，牛顿力学就是第二次科学革命。科学革命是技术革命的先导，在牛顿的科学革命之后大约一百年，出现了18世纪末19世纪初的工业革命或产业革命。一 牛顿的科学研究方法：牛顿牛顿在科学上的巨大成就连同他的朴素的唯物主义哲学观点和一套初具规模的物理学方法论体系，给物理学及整个自然科学的发展，给18世纪的工业革命、社会经济变革及机械唯物论思潮的发展以巨大影响。顿在科学方法论上的贡献正如他在物理学特别是泳装品牌力学中的贡献一样，不只是创立了某一种或两种新方法，而是形成了一套研究事物的方法论体系，提出了几条方法论原理。在牛顿原理一书中集中体现了以下几种科学方法： 验理论应用的方法。牛顿在原理序言中说：“哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力，而后用这些方去论证其他的现象。”科学史家I.B.Cohen正确地指出，牛顿“主要是将实际世界与其简化数学表示反复加以比较”。牛顿是从事实验和归纳实际材料的巨匠，也是将其理论应用于天体、流体、引力等实际问题的能手。 分析综合方法。分析是从整体到部分（如微分、原子观点），综合是从部分到整体（如积分，也包括天与地的综合、三条运动定律的建立等）。牛顿在原理中说过：“在自然科学里，应该像在数学里一样，在研究困难的事物时，总是应当先用分析的方法，然后才用综合的方法。一般地说，从结果到原因，从特殊原因到普遍原因，一直论证到最普遍的原因为止，这就是分析的方法；而综合的方法则假定原因已找到，并且已经把它们定为原理，再用这些原理去解释由它们发生的现象，泳装品牌并证明这些解释的正确性”。 归纳演绎方法。上述分析一综合法与归纳一演绎法是相互结合的。牛顿从观察和实验出发。“用归纳法去从中作出普通的结论”，即得到概念和规律，然后用演绎法推演出种种结论，再通过实验加以检验、解释和预测，这些预言的大部分都在后来得到证实。当时牛顿表述的定律他称为公理，即表明由归纳法得出的普遍结论，又可用演绎法去推演出其他结论。 物理数学方法。牛顿将物理学范围中的概念和定律都“尽量用数学演出”。爱因斯坦说：“牛顿才第一个成功地找到了一个用公式清楚表述的基础，从这个基础出发他用数学的思维，逻辑地、定量地演绎出范围很广的现象并且同经验相符合”，“只有微分定律的形式才能完全满足近代物理学家对因果性的要求，微分定律的明晰概念是牛顿最伟大的理智成就之一”。牛顿把他的书称为自然哲学的数学原理正好说明这一点。牛顿在原理中提出了力学的三大定律和万有引力定律，把地面上物体的运动和太阳系内的行星的运动统一在相同的物理定律之中，从而完成了人类文明史上第一次自然科学的大综合。它不仅标志了16，17世纪科学革命的顶点，也是人类文明、进步的划时代标志。它不仅总结和发展了牛顿之前物理学的几乎全部重要成果，而且也是后来所有科学著作和科学方法的楷模。牛顿的科学思想和科学方法对他以后三百年来自然科学的发展产生了极其深远的影响。 牛顿的方法论原理集中表述在原理第三篇“哲学中的推理法则”中的四条法则中，此处不再转引。概括起来，可以称之为简单性原理（法则1），因果性原理（法则2），普遍性原理（法则3），否证法原理（法则4，无反例证明者即成立）。有人还主张把牛顿在下一段话的思想称之为结构性原理：“自然哲学的目的在于发现自然界的结构的作用，并且尽可能把它们归结为一些普遍的法规和一般的定律用观察和实验来建立这些法则，从而导出事物的原因和结果”。 牛顿的科学观是因果决定论的科学观。他认为天体运动的原因就是万有引力，行星运动的规律是由万有引力定律决定的。他根据万有引力定律成功地解释了行星、卫星和彗星的运动，直至最微小的细节，同样也解释了潮汐和地球的进动。在牛顿力学中只要知道质点在初始时刻的位移和速度，根据牛顿定律就可以预言其后时刻的运动情况，这是典型的因果描写。 但是，在牛顿以前往往并不用因果论来解释自然现象，而用目的论来解释自然现象，即按照某种目的或结果来解释运动现象，而不是用力的原因作解释。牛顿采用因果性的解释在物理学的发展中是重要的一步。爱因斯坦指出：“在牛顿以前还没有实际的科学成果来支持那种认为物理因果关系有完整链条的信念。”牛顿建立了物理因果性的完整体系，从而揭示了物理世界的深刻特征。 在决定论科学观的基础上，牛顿确立了他的物理框架，所谓物理框架就是对物理现象解释的一种标准。牛顿框架的核心是力和力所决定的因果性，认为找到了力的规律就是找到了对运动现象的解释。 然而，在牛顿以前并不使用力的框架，而是“和谐性”的框架。在哥白尼开普勒时期，他们追求的是和谐性，即寻找运动的和谐，认为找到了和谐就找到了解释，这种思想在这一时期发展到了顶峰。哥白尼之所以怀疑托勒密体系，主要是他认为托勒密体系很不和谐，在托勒密体系中行星有时逆行。如果将中心从地球移到太阳，则行星的运动更加和谐。正如哥白尼说的显示了“令人欣赏的对称性”和“清晰的和谐性”。 到了牛顿一代，不再采用和谐性框架，不再认为寻找“和谐”就是寻找对运动现象原因的解释，牛顿认为找到了力才是找到了对运动现象的解释。以后的物理学家主要依据力的框架进行工作。爱因斯坦指出：“直到19世纪末，它一直是理论物理学领域中每个工作者的纲领。”“这个物理学框架在将近二百年中给予科学以稳定性和思想指导。”沿用牛顿的框架发展到顶峰的是麦克斯韦，麦克斯韦坚持牛顿的力的框架，他建立了电磁学的力学模型，企图用以太中的力来解释电磁现象，发展电磁理论，后来，他不再采用力学模型，而是用电磁场的概念来分析问题，这反映出框架的变化。(/)牛顿在科学研究中坚持以经验为基础，他认为在没有从观察和实验中发现引力之原因时，决不杜撰假设。牛顿的“不杜撰假设”具有方法论的意义，这种方法论与他同时代的大多数人所遵循的方法迥然不同。牛顿的同时代人都追随笛卡儿探索自然现象的原因，构筑引力的机制。而牛顿则不然，他所关心的不是引力“为什么”会起作用，而是“如何”在起作用。他的目的是寻求引力所遵从的规律，提出准确的数学描述，证明行星系统如何依赖于引力定律。 但是，牛顿的认识路线也不同于受经验主义影响很深的胡克的认识路线。胡克强调从实验上去探求引力定律，忽视数学推理的必要性。他的表述停留在定性认识上，缺乏定量的成分。他没有认识到当时更需要的是数学推理，而不是实验，因为所有行星运动的实验资料都已总结在开普勒定律之中，而胡克面对实验事实，迟迟不能提出物理模型，进行数学推导，从而确立力的定律。这是他在方法论上不如牛顿的地方。 二牛顿在科学方面给世界人们带来的贡献：恩格斯曾对牛顿做了高度的评价：“牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分解而创立了科学的光学，由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科学的力学。” 力学方面：牛顿在伽利略（意大利天文学家、力学家、哲学家，15641642）等人工作的基础上进行深入研究，总结出了物体机械运动的三个定律，即惯性定律、力和加速度定律、作用力和反作用力定律。在开普勒（德国天文学家，15711630）等人研究的成果上，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。这个理论正确地反映了宏观物体低速运动的规律，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。(/)光学方面：牛顿用三棱镜分析太阳光，发现白光是由不同颜色（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。牛顿这一重要发现成为光谱分析的基础，揭示了光色的秘密。牛顿还发现了一种光的干涉图样，被后人称为牛顿环。他还创立了光的“微粒说”，从一个侧面反映了光的运动性质。 天文学方面：牛顿制造了反射望远镜，用此初步考察了行星运动规律。他还用万有引力定律说明了潮汐现象，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。他预言地球不是正球体。 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。 数学方面：牛顿在前人工作的基础上，提出“流数法”，建立了二项式定理，并和莱布尼茨（德国数学家、物理学家、哲学家，16461716）几乎同时创立微积分学，为数学的发展开辟了一个新纪元。(/)建立微积分：在牛顿的全部科学贡献中，数学成就占有突出的地位。他数学生涯中的第一项创造性成果就是发现了二项式定理。据牛顿本人回忆，他是在1664年和1665年间的冬天，在研读沃利斯博士的无穷算术时，试图修改他的求圆面积的级数时发现这一定理的。笛卡尔的解析几何把描述运动的函数关系和几何曲线相对应。牛顿在老师巴罗的指导下，在钻研笛卡尔的解析几何的基础上，找到了新的出路。可以把任意时刻的速度看是在微小的时间范围里的速度的平均值，这就是一个微小的路程和时间间隔的比值，当这个微小的时间间隔缩小到无穷小的时候，就是这一点的准确值。这就是微分的概念。求微分相当于求时间和路程关系得在某点的切线斜率。一个变速的运动物体在一定时间范围里走过的路程，可以看作是在微小时间间隔里所走路程的和，这就是积分的概念。求积分相当于求时间和速度关系的曲线下面的面积。牛顿从这些基本概念出发，建立了微积分。微积分的创立是牛顿最卓越的数学成就。牛顿为解决运动问题，才创立这种和物理概念直接联系的数学理论的，牛顿称之为流数术。它所处理的一些具体问题，如切线问题、求积问题、瞬时速度问题以及函数的极大和极小值问题等，在牛顿前已经得到人们的研究了。但牛顿超越了前人，他站在了更高的角度，对以往分散的努力加以综合，将自古希腊以来求解无限小问题的各种技巧统一为两类普通的算法微分和积分，并确立了这两类运算的互逆关系，从而完成了微积分发明中最关键的一步，为近代科学发展提供了最有效的工具，开辟了数学上的一个新纪元。牛顿的代数讲义经整理后出版，定名为普遍算术。他主要讨论了代数基础及其(通过解方程)在解决各类问题中的应用。书中陈述了代数基本概念与基本运算，用大量实例说明了如何将各类问题化为代数方程，同时对方程的根及其性质进行了深入探讨，引出了方程论方面的丰硕成果，如，他得出了方程的根与其判别式之间的关系，指出可以利用方程系数确定方程根之幂的和数，即“牛顿幂和公式”。 牛顿对解析几何与综合几何都有贡献。他在1736年出版的解析几何中引入了曲率中心，给出密切线圆(或称曲线圆)概念，提出曲率公式及计算曲线的曲率方法。并将自己的许多研究成果总结成专论三次曲线枚举，于1704年发表。此外，他的数学工作还涉及数值分析、概率论和初等数论等众多领域。 牛顿在自然科学领域内作了奠基有贡献。他继承了英国唯物主义的始祖培根重视归纳法有传统，主张科学研究要通过实验发现现象，然后运用归纳法总结为定律，再用数学推演建立理论体系。自然哲学的数学原理一书正是这样写成的，这无疑是一种重要的科学方法，对后来的科学发展起了很大的促进作用。牛顿的哲学思想基本上属于自发的唯物主义，由于他否