【物理】牛顿介绍.ppt

高一 王莹 站在巨人肩膀上的人 牛顿 个人介绍 1643年1月4日生于英格兰林肯郡格兰瑟姆附近的沃尔索普村1661年入英国剑桥大学圣三一学院1665年获文学士学位随后两年在家乡躲避鼠疫 他在此间制定了一生大多数重要科学创造的蓝图1667年牛顿回剑桥后当选为剑桥大学圣三一学院院委1668年获硕士学位1669 1701年任剑桥大学卢卡斯数学教授席位1696年任皇家造币厂监督 并移居伦敦1703年任英国皇家学会会会长1706年受英国女王安娜封爵在晚年 牛顿潜心于自然哲学与神学 1727年3月31日 牛顿在伦敦病逝 享年84岁 一 个人简介 艾萨克 牛顿 IsaacNewton 是英国伟大的数学家 物理学家 天文学家和自然哲学家 其研究领域包括了物理学 数学 天文学 神学 自然哲学和炼金术 牛顿的主要贡献有发明了微积分 发现了万有引力定律和经典力学 设计并实际制造了第一架反射式望远镜等等 被誉为人类历史上最伟大 最有影响力的科学家 为了纪念牛顿在经典力学方面的杰出成就 牛顿 后来成为衡量力的大小的物理单位 个人生平 少年牛顿1643年1月4日 在英格兰林肯郡小镇沃尔索浦的一个自耕农家庭里 牛顿诞生了 牛顿是一个早产儿 出生时只有三磅重 接生婆和他的亲人都担心他能否活下来 谁也没有料到这个看起来微不足道的小东西会成为了一位震古烁今的科学巨人 并且竟活到了84岁的高龄 牛顿出生前三个月父亲便去世了 在他两岁时 母亲改嫁给一个牧师 把牛顿留在外祖母身边抚养 11岁时 母亲的后夫去世 母亲带着和后爸所生的一子二女回到牛顿身边 牛顿自幼沉默寡言 性格倔强 这种习性可能来自他的家庭处境 大约从5岁开始 牛顿被送到公立学校读书 少年时的牛顿并不是神童 他资质平常 成绩普通 童年牛顿童年的牛顿喜欢读书 喜欢看一些介绍各种简单机械模型制作方法的读物 并从中受到启发 自己动手制作些奇奇怪怪的小玩意 如风车 木钟 折叠式提灯等等 传说小牛顿把风车的机械原理摸透后 自己制造了一架磨坊的模型 他将老鼠绑在一架有轮子的踏车上 然后在轮子的前面放上一粒玉米 刚好那地方是老鼠可望不可及的位置 老鼠想吃玉米 就不断的跑动 于是轮子不停的转动 牛顿12岁在格兰瑟姆中学读书时 曾经寄宿在一位药剂师家里 使他受到了化学试验的熏陶 后来迫于生活 母亲让牛顿停学在家务农 赡养家庭 但牛顿一有机会便埋首书卷 以至经常忘了干活 每次 母亲叫他同佣人一道上市场 熟悉做交易的生意经时 他便恳求佣人一个人上街 自己则躲在树丛后看书 有一次 牛顿的舅父起了疑心 就跟踪牛顿上市镇去 发现他的外甥伸着腿 躺在草地上 正在聚精会神地钻研一个数学问题 牛顿的好学精神感动了舅父 于是舅父劝服了母亲让牛顿复学 并鼓励牛顿上大学读书 牛顿又重新回到了学校 如饥似渴地汲取书本上的营养 1661年 19岁的牛顿以减费生的身份进入剑桥大学三一学院 靠为学院做杂务的收入支付学费 1664年成为奖学金获得者1665年获学士学位 17世纪中叶 卢卡斯创设了一个独辟蹊径的讲座 规定讲授自然科学知识 如地理 物理 天文和数学课程 讲座的第一任教授伊萨克 巴罗是个博学的科学家 这位学者独具慧眼 看出了牛顿具有深邃的观察力 敏锐的理解力 于是将自己的数学知识 包括计算曲线图形面积的方法 全部传授给牛顿 并把牛顿引向了近代自然科学的研究领域 求学岁月 1665 1666年严重的鼠疫席卷了伦敦 为恐波及 学校因此而停课1665年6月牛顿离校返乡 1665 1666年这段短暂的时光成为牛顿科学生涯中的黄金岁月 他在自然科学领域内思考前人从未思考过的问题 踏进了前人没有涉及的领域 创建了前所未有的惊人业绩 1665年初 牛顿创立级数近似法 以及把任意幂的二项式化为一个级数的规则 同年11月 创立正流数法 微分 1666年1月 用三棱镜研究颜色理论 5月 开始研究反流数法 积分 牛顿开始想到研究重力问题 并想把重力理论推广到月球的运动轨道上去 牛顿见苹果落地而悟出地球引力的传说 说的也是此时发生的轶事 求学岁月 1667年复活节后不久 牛顿返回到剑桥大学 10月1日被选为三一学院的仲院侣1668年3月16日获得硕士学位 同时成为正院侣 1669年10月27日 巴罗为了提携牛顿而辞去了教授之职 26岁的牛顿晋升为数学教授 并担任卢卡斯讲座的教授 求学岁月 对于牛顿的晚年 人们普遍存在一些误解 认为牛顿开始相信上帝 但事实并非如此 对于微积分的研究是牛顿晚年的研究重点 微积分可以在实验的基础上推导出物理量之间关系的函数形式 但具体函数物无从知晓 只能通过实验得知 所以 牛顿提出 上帝第一次推动 这一个概念 就是说 像密度等物质固有属性是大自然自己制定的 无法更改 也无从推导 而人们的误解普遍来源于 上帝第一次推动 误解为 上帝第一次推动力 牛顿晚年 主要贡献 在一六六五年 刚好二十二岁的牛顿发现了二项式定理 这对于微积分的充分发展是必不可少的一步 二项式定理把能为直接计算所发现的等简单结果推广如下的形式推广形式二项式级数展开式是研究级数论 函数论 数学分析 方程理论的有力工具 在今天我们会发觉这个方法只适用于 是正整数 当 是正整数 级数终止在正好是 项 如果 不是正整数 级数就不会终止 这个方法就不适用了 但是我们要知道那时 莱布尼茨在一六九四年才引进函数这个词 在微积分早期阶段 研究超越函数时用它们的级来处理是所用方法中最有成效的 二项式定理 创建微积分 牛顿在数学上最卓越的成就是创建微积分 他超越前人的功绩在于 他将古希腊以来求解无限小问题的各种特殊技巧统一为两类普遍的算法 微分和积分 并确立了这两类运算的互逆关系 如 面积计算可以看作求切线的逆过程 微积是牛顿与莱布尼兹同时发明的 微积分方法上 牛顿所作出的极端重要的贡献是 他不但清楚地看到 而且大胆地运用了代数所提供的大大优越于几何的方法论 他以代数方法取代了卡瓦列里 格雷哥里 惠更斯和巴罗的几何方法 完成了积分的代数化 从此 数学逐渐从感觉的学科转向思维的学科 方程论与变分法 牛顿在代数方面也作出了经典的贡献 他的 广义算术 大大推动了方程论 他发现实多项式的虚根必定成双出现 求多项式根的上界的规则 他以多项式的系数表示多项式的根 次幂之和公式 给出实多项式虚根个数的限制的笛卡儿符号规则的一个推广 牛顿在还设计了求数值方程的实根近似值的对数和超越方程都适用的一种方法 该方法的修正 现称为牛顿方法 牛顿运动定律 牛顿在力学领域也有伟大的发现 这是说明物体运动的科学 牛顿运动定律是艾萨克 牛顿提出了物理学的三个运动定律的总称 被誉为是经典物理学的基础 为牛顿第一定律 惯性定律 一切物体在不受任何外力的作用下 总保持匀速直线运动状态或静止状态 直到有外力迫使它改变这种状态为止 它明确了力和运动的关系及提出了惯性的概念 牛顿第二定律 物体的加速度跟物体所受的合外力F成正比 跟物体的质量成反比 加速度的方向跟合外力的方向相同 公式 F kma 当m单位为kg a单位为m s2时 k 1 牛顿第三定律 两个物体之间的作用力和反作用力 在同一条直线上 大小相等 方向相反 1666年 牛顿在家休假期间 得到了三棱镜 他用来进行了著名的色散试验 发现了白光是由各种不同颜色的光组成的 揭开了物质的颜色之谜 原来物质的色彩是不同颜色的光在物体上有不同的反射率和折射率造成的 1672年 牛顿把自己的研究成果发表在 皇家学会哲学杂志 上 这是他第一次公开发表的论文 1668年 他制成了第一架反射望远镜样机 这是第二大贡献 1671年 牛顿把经过改进得反射望远镜献给了皇家学会 牛顿名声大震 并被选为皇家学会会员 反射望远镜的发明奠定了现代大型光学天文望远镜的基础 同时 牛顿还进行了大量的观察实验和数学计算 比如研究惠更斯发现的冰川石的异常折射现象 胡克发现的肥皂泡的色彩现象 牛顿环 的光学现象等等 牛顿还提出了光的 微粒说 认为光是由微粒形成的 并且走的是最快速的直线运动路径 他的 微粒说 与后来惠更斯的 波动说 构成了关于光的两大基本理论 此外 他还制作了牛顿色盘等多种光学仪器 光学贡献 牛顿是经典力学理论的集大成者 他系统的总结了伽利略 开普勒和惠更斯等人的工作 得到了著名的万有引力定律和牛顿运动三定律 牛顿自己回忆 1666年前后 他在老家居住的时候已经考虑过万有引力的问题 最有名的一个说法是 在假期里 牛顿常常在花园里小坐片刻 有一次 象以往屡次发生的那样 一个苹果从树上掉了下来 一个苹果的偶然落地 却是人类思想史的一个转折点 它使那个坐在花园里的人的头脑开了窍 引起他的沉思 究竟是什么原因使一切物体都受到差不多总是朝向地心的吸引呢 牛顿思索着 终于 他发现了对人类具有划时代意义的万有引力 在哈雷的敦促下 1686年底 牛顿写成划时代的伟大著作 自然哲学的数学原理 一书 靠了哈雷的资助在1687年出版 构筑力学大厦 物质不灭定律 说的是物质的质量不灭 能量守恒定律 说的是物质的能量守恒 动量守恒定律 牛顿的三大恒定 设X1表示物体与第一焦点的距离 而X2表示光像与第二焦点的距离X1X2 f1f2这一关系式叫做牛顿公式 其形式较1 u 1 v 1 f简单 且对称性更显著 运用时也较方便 牛顿公式 人物八卦 许多介绍牛顿的书上都介绍过牛顿与苹果的传奇故事 1665 1666之间 由于剑桥流行黑热病 学校被迫停学 刚从剑桥拿到学士学位的牛顿也返回了家乡 一天 牛顿正坐在一棵苹果树下看书及思考问题时 这时 有一个苹果落了下来 这一下子启发了牛顿 但后来经专家发现 当时的苹果并没有砸到牛顿 而且牛顿的日记中回忆道 苹果并没有砸到他 这位当时年仅23岁的学生立刻想到 苹果一定是被地球的引力拉下来的 此后 经过多年努力 他终于完成了万有引力定律的阐述 数学证明与公式推导 这个故事流传得非常广泛 不过有人认为 这个苹果的故事至少有两点与已经了解的历史事实不符 第一 万有引力不是牛顿一个人的独立发现 而是历史上若干人的研究逐步探索 积累的结果 有的书上却把万有引力定律以牛顿名字命名 这是不行的 另外 把牛顿发现万有引力说成是由于受了苹果落地启发的自然结果 根据历史学者的观点 显然是对历史的严重歪曲 第二 在1665年 牛顿对天体的运动规律问题还没有完全搞清楚 如果承认这个苹果故事 不是等于把牛顿对万有引力的发现提前了至少20年吗 实际上 牛顿直到二十多年后才取得最终结论 并完成数学论证与公式推导 传说中的苹果 牛顿善于观察各种现象 甚至包括日常生活中的小事 作出了科学史上一个个重要的发现 因为醉心于科学研究 牛顿在生活中常常废寝忘食 曾因为对研究过于专注闹了笑话 后来被大家传为趣谈 一次 他一边读着书 一边在火炉上去煮鸡蛋 等他揭开锅想吃鸡蛋时 却发现锅里是一只怀表 还有一次 他请朋友吃饭 当饭菜准备好时 牛顿突然脑子中灵感闪现 想到一个问题 便立即进了书房 朋友等了他好久还是不见他出来 于是朋友就自己动手把那份鸡全吃了 鸡骨头留在盘子 不告而别了 等牛顿想起 出来后 见了盘子里的骨头 以为自己已经吃过了 便转身又进了内室 继续研究他的问题 亚历山大 蒲柏说到 自然和自然的法则在黑夜中隐藏 上帝说 让牛顿诞生 于是一切都被照亮 小小趣谈 牛顿未婚的原因 原因1 不结婚是社会时尚原因2 生活与成长经历影响原因3 为科学研究错过了婚姻原因4 受到周边人士的影响原因5 有人怀疑牛顿是个同性恋者 未婚八卦 牛顿名言 1 如果说我比别人 笛卡尔 看得更远些 那是因为我站在巨人肩上的缘