第18课 近代科学体系的奠基人牛顿 课件(岳麓版选修四)

1、第五单元第五单元 杰出的科学家杰出的科学家自然界和自然规律自然界和自然规律隐藏在黑暗中，隐藏在黑暗中，上帝说：上帝说：让牛顿出生吧！让牛顿出生吧！于是，一切都变得光明。于是，一切都变得光明。英国诗人波普曾经这样写道：英国诗人波普曾经这样写道： 16661666年夏末一个温暧的傍晚，在英年夏末一个温暧的傍晚，在英格兰林肯郡乌尔斯索普，一个腋下夹着格兰林肯郡乌尔斯索普，一个腋下夹着一本书的年轻人走进他母亲家的花园里，一本书的年轻人走进他母亲家的花园里，坐在一棵树下，开始埋头读他的书。当坐在一棵树下，开始埋头读他的书。当他翻动书页时，他头顶的树枝中有样东他翻动书页时，他头顶的树枝中有样东西晃动起来。

2、一只历史上最著名的苹果西晃动起来。一只历史上最著名的苹果落了下来，打在落了下来，打在2323岁的伊萨克岁的伊萨克牛顿的牛顿的头上。恰巧在那天，牛顿正苦苦思索着头上。恰巧在那天，牛顿正苦苦思索着一个问题：是什么力量使月球保持在环一个问题：是什么力量使月球保持在环绕地球运行的轨道上，以及使行星保持绕地球运行的轨道上，以及使行星保持在其环绕太阳运行的轨道上？为什么这在其环绕太阳运行的轨道上？为什么这只打中他脑袋的苹果会坠落到地上？正只打中他脑袋的苹果会坠落到地上？正是从思考这一问题开始，他找到了这些是从思考这一问题开始，他找到了这些的答案的答案万有引力理论。万有引力理论。一一. 成长的足迹成长的足迹

3、苹果砸头居然砸出了伟大的万有引力苹果砸头居然砸出了伟大的万有引力定律，真是得来全不费功夫！牛顿真有这定律，真是得来全不费功夫！牛顿真有这么好的天赋吗？么好的天赋吗？牛顿出生前，父亲已去世。牛顿是遗牛顿出生前，父亲已去世。牛顿是遗腹子，又是早产儿，先天不足，出生时体腹子，又是早产儿，先天不足，出生时体重只有重只有 3磅，差点夭折。他两岁时母亲改磅，差点夭折。他两岁时母亲改嫁，靠外祖母抚养。牛顿小学时期，体弱嫁，靠外祖母抚养。牛顿小学时期，体弱多病，性格腼腆，生性孱弱，有些迟钝，多病，性格腼腆，生性孱弱，有些迟钝，自幼沉默寡言，性格倔强，而这种习性可自幼沉默寡言，性格倔强，而这种习性可能来自他的家

4、庭处境。能来自他的家庭处境。少年牛顿资质平常，成绩一般，但他少年牛顿资质平常，成绩一般，但他喜欢读书，喜欢看一些介绍各种简单机械喜欢读书，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，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。车、木钟、折叠式提灯等等。一、成长的足迹一、成长的足迹 善于观察善于观察 、发明创造、发明创造传说小牛顿把风车的机传说小牛顿把风车的机械原理摸透后，自己制械原理摸透后，自己制造了一架磨坊的模型，造了一架磨坊的模型，他将老鼠绑在一架有轮他将老鼠绑在一架有轮子的踏车上，

5、然后在轮子的踏车上，然后在轮子的前面放上一粒玉米，子的前面放上一粒玉米，刚好那地方是老鼠可望刚好那地方是老鼠可望不可及的位置。老鼠想不可及的位置。老鼠想吃玉米，就不断的跑动，吃玉米，就不断的跑动，于是轮子不停的转动。于是轮子不停的转动。一、成长的足迹一、成长的足迹1、少年牛顿：、少年牛顿：小学成绩一般；小学成绩一般；爱动脑筋、动手能力强。爱动脑筋、动手能力强。12岁入中学读书岁入中学读书因家境贫寒一度辍学，因家境贫寒一度辍学，管理农庄管理农庄其好学精神打动了其好学精神打动了舅舅，得以复学舅舅，得以复学牛顿老家牛顿老家一、成长的足迹一、成长的足迹2、青年牛顿：、青年牛顿：1661.6，以减费生身

6、份进入剑桥大，以减费生身份进入剑桥大学三一学院；学三一学院；1665年，由于瘟疫剑桥大学被迫年，由于瘟疫剑桥大学被迫关闭，回到故乡。关闭，回到故乡。一生中科学研究最旺盛的时期一生中科学研究最旺盛的时期1、少年牛顿：、少年牛顿： 牛顿牛顿1919岁时进入剑桥大学，成为该学院的减岁时进入剑桥大学，成为该学院的减费生，靠为学院做杂务的收入支付学费。在这里费生，靠为学院做杂务的收入支付学费。在这里，牛顿开始接触到大量自然科学著作，经常参加，牛顿开始接触到大量自然科学著作，经常参加学院举办的各类讲座，包括地理、物理、天文和学院举办的各类讲座，包括地理、物理、天文和数学。牛顿的第一任教授伊萨克数学。牛顿的

7、第一任教授伊萨克巴罗是个博学巴罗是个博学多才的学者。这位学者独具慧眼，看出了牛顿具多才的学者。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传授给牛顿，并把牛顿引向了近代自然科学的研究领域。究领域。16651665年剑桥大学评议会通过了授予牛顿年剑桥大学评议会通过了授予牛顿大学学士学位的决定。大学学士学位的决定。16651665年大学毕业，成绩平年大学毕业，成绩平平。平。 正当牛顿准备留校继续深造时，严

8、重的鼠疫正当牛顿准备留校继续深造时，严重的鼠疫席卷了英国，剑桥大学因此而关闭，牛顿离校返席卷了英国，剑桥大学因此而关闭，牛顿离校返乡。家乡安静的环境使得他的思想展翅飞翔，以乡。家乡安静的环境使得他的思想展翅飞翔，以整个宇宙作为其藩篱。这短暂的时光成为牛顿科整个宇宙作为其藩篱。这短暂的时光成为牛顿科学生涯中的黄金岁月，这两年之内，他在自然科学生涯中的黄金岁月，这两年之内，他在自然科学领域内思潮奔腾，才华迸发，思考前人从未思学领域内思潮奔腾，才华迸发，思考前人从未思考过的问题，踏进前人没有涉及的领域，创建前考过的问题，踏进前人没有涉及的领域，创建前所未有的惊人业绩。他的三大成就：微积分、万所未有的

9、惊人业绩。他的三大成就：微积分、万有引力、光学分析的思想就是在这时孕育成形的有引力、光学分析的思想就是在这时孕育成形的。这。这1818个月竟为牛顿一生科学的重大发现奠定了个月竟为牛顿一生科学的重大发现奠定了坚实的基础。可以说此时的牛顿已经开始着手描坚实的基础。可以说此时的牛顿已经开始着手描绘他一生大多数科学创造的蓝图。后来牛顿返回绘他一生大多数科学创造的蓝图。后来牛顿返回到剑桥大学，到剑桥大学，1010月被选为该学院初级院委，翌年月被选为该学院初级院委，翌年获得硕士学位，同时成为高级院委。获得硕士学位，同时成为高级院委。16691669年，巴年，巴罗为了提携牛顿而辞去了教授之职，罗为了提携牛顿

10、而辞去了教授之职，2626岁的牛顿岁的牛顿晋升为数学教授。巴罗让贤，在科学史上一直被晋升为数学教授。巴罗让贤，在科学史上一直被传为佳话。传为佳话。作为大学教授，牛顿常常忙得不修作为大学教授，牛顿常常忙得不修边幅，往往领带不结，袜带不系好，边幅，往往领带不结，袜带不系好，马裤也不纽扣，就走进了大学餐厅。马裤也不纽扣，就走进了大学餐厅。有一次，他在向一位姑娘求婚时思有一次，他在向一位姑娘求婚时思想又开了小差，他脑海了只剩下了想又开了小差，他脑海了只剩下了无穷量的二项式定理。他抓住姑娘无穷量的二项式定理。他抓住姑娘的手指，错误的把它当成通烟斗的的手指，错误的把它当成通烟斗的通条，硬往烟斗里塞，痛得姑

11、娘大通条，硬往烟斗里塞，痛得姑娘大叫，离他而去。牛顿也因此终生未叫，离他而去。牛顿也因此终生未娶。娶。牛顿从容不迫地观察日常生活牛顿从容不迫地观察日常生活中的小事，结果作出了科学史上一中的小事，结果作出了科学史上一个个重要的发现。他马虎拖沓，曾个个重要的发现。他马虎拖沓，曾经闹过许多的笑话。一次，他边读经闹过许多的笑话。一次，他边读书，边煮鸡蛋，等他揭开锅想吃鸡书，边煮鸡蛋，等他揭开锅想吃鸡蛋时，却发现锅里是一只怀表。还蛋时，却发现锅里是一只怀表。还有一次，他请朋友吃饭，当饭菜准有一次，他请朋友吃饭，当饭菜准备好时，牛顿突然想到一个问题，备好时，牛顿突然想到一个问题，便独自进了内室，朋友等了他

12、好久便独自进了内室，朋友等了他好久还是不见他出来，于是朋友就自己还是不见他出来，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，盘子，不告而别了。等牛顿想起，出来后，发现了盘子里的骨头，以出来后，发现了盘子里的骨头，以为自己已经吃过了，便转身又进了为自己已经吃过了，便转身又进了内室，继续研究他的问题。内室，继续研究他的问题。数学：数学：代数二项式定理；代数二项式定理；微积分微积分光学：光学： 发现了日光的组成等发现了日光的组成等物理学：物理学：力学三大定律力学三大定律万有引力定律万有引力定律（德国（德国 莱布尼茨）莱布尼茨）请按学科领域归

13、纳牛顿一生中的主要科学成就请按学科领域归纳牛顿一生中的主要科学成就?牛顿以下列形式首次叙述了二项定理：牛顿以下列形式首次叙述了二项定理：“此处此处PPQ表示要求其根或任意次幂或幂的根的表示要求其根或任意次幂或幂的根的量；量；P表示该量的首项，表示该量的首项，Q则是首项相除后的余项，则是首项相除后的余项，m/n 是是 PPQ的幂指数，不论其是整数还是分数、的幂指数，不论其是整数还是分数、正数还是负数正数还是负数” 二项定理：二项定理： 牛顿是这样推导微积分基本定理的：牛顿是这样推导微积分基本定理的：如图如图1，设，设 abx，abcy为已知为已知曲线曲线 qf(x)下的面积作下的面积作 deab

14、adbep1，当垂线，当垂线cbe以单位速度向右移动时，以单位速度向右移动时，eb扫出扫出面积面积abedx， 光学第一大贡献：光学第一大贡献：白光是由各种不同颜色的光组成的白光是由各种不同颜色的光组成的第一架反射式望远镜诞生于第一架反射式望远镜诞生于1668年。牛顿经过多次磨制非球面的年。牛顿经过多次磨制非球面的透镜均告失败后，决定采用球面透镜均告失败后，决定采用球面反射镜作为主镜。他用反射镜作为主镜。他用2.5厘米厘米直径的金属，磨制成一块凹面反直径的金属，磨制成一块凹面反射镜，并在主镜的焦点前面放置射镜，并在主镜的焦点前面放置了一个与主镜成了一个与主镜成45o角的反射镜，角的反射镜，使经

15、主镜反射后的会聚光经反射使经主镜反射后的会聚光经反射镜以镜以90o角反射出镜筒后到达目角反射出镜筒后到达目镜。这种系统称为牛顿式反射望镜。这种系统称为牛顿式反射望远镜。它的球面镜虽然会产生一远镜。它的球面镜虽然会产生一定的象差，但用反射镜代替折射定的象差，但用反射镜代替折射镜却是一个巨大的成功。镜却是一个巨大的成功。第二大贡献：第二大贡献：制成了第一架反射望远镜样机制成了第一架反射望远镜样机 “牛顿环牛顿环”的光学现象的光学现象 用一个半凸透镜置于玻璃表面，然用一个半凸透镜置于玻璃表面，然后用白色光源照射，便可观察到一后用白色光源照射，便可观察到一系列明暗相间的光环，这便是牛顿系列明暗相间的光

16、环，这便是牛顿环。牛顿环作为物理学上极有名的环。牛顿环作为物理学上极有名的光学现象，是由光源的干涉情况造光学现象，是由光源的干涉情况造成，主要是由于两个光滑的物体表成，主要是由于两个光滑的物体表面（玻璃与底片），无法完全紧贴，面（玻璃与底片），无法完全紧贴，它们之间的距离虽然十分接近，但它们之间的距离虽然十分接近，但仍有极小的间隙（空气层）存在。仍有极小的间隙（空气层）存在。当光线穿透时，在不同的层交界处当光线穿透时，在不同的层交界处发生折射及反射，这样会产生出多发生折射及反射，这样会产生出多个反射波，同时会发生相位移。光个反射波，同时会发生相位移。光的干涉现象导致投射出一圈圈明暗的干涉现象导

17、致投射出一圈圈明暗相间的纹路，明亮处是建设性干涉相间的纹路，明亮处是建设性干涉造成的结果，阴暗处则是破坏性干造成的结果，阴暗处则是破坏性干涉造成的。涉造成的。 万有引力定律和牛顿运动三定律万有引力定律和牛顿运动三定律 “我之所以我之所以能比别人看得远些，能比别人看得远些，是因为我站在巨人是因为我站在巨人们的肩上。们的肩上。”在发现万有引在发现万有引力定律的过程中，力定律的过程中，有哪些巨人的肩膀有哪些巨人的肩膀托起了牛顿？托起了牛顿？开普勒开普勒伽利略伽利略二、万有引力定律二、万有引力定律1、前人的理论成就、前人的理论成就1）开普勒：）开普勒：行星绕日运动行星绕日运动的三大定律的三大定律2）伽

18、利略：）伽利略： 发现了力学的发现了力学的一些基本原理一些基本原理（提出了速度、加速度等基本概（提出了速度、加速度等基本概念；并发现了摆振动的等时定律念；并发现了摆振动的等时定律和自由落体定律惯性定律；并非和自由落体定律惯性定律；并非正式地提出过惯性定律。）正式地提出过惯性定律。）为牛顿研究万为牛顿研究万有引力定律奠有引力定律奠定了基础定了基础2、个人的辛勤努力、个人的辛勤努力1）“站在巨人们的肩上站在巨人们的肩上”，继承前人的工作，继承前人的工作，通过数学方法计算出地球对月亮的引力；通过数学方法计算出地球对月亮的引力；2）在大量研究的基础上，牛顿充分证明了宇宙间）在大量研究的基础上，牛顿充分

19、证明了宇宙间所有的物体，都是相互吸引的。所有的物体，都是相互吸引的。这种无处不有的引力即这种无处不有的引力即为为“万有引力万有引力”。二、万有引力定律二、万有引力定律3、提出：、提出：1686年，撰写年，撰写自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理1687年问世年问世力学三大定律力学三大定律万有引力定律万有引力定律二、万有引力定律二、万有引力定律 惯性定律惯性定律 加速度定律加速度定律 作用力与反作用力定律作用力与反作用力定律4、意义、意义1）牛顿力学的三大定律和万有引力定律）牛顿力学的三大定律和万有引力定律为经典力学规定了一套基本概念，形成了为经典力学规定了一套基本概念，形成了完整的近代力学体系

20、；完整的近代力学体系；2）把地面上物体的运动和太阳系内行星）把地面上物体的运动和太阳系内行星的运动统一在相同的物理定律之中，从而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完成了人类文明史上第一次自然科学的大综合综合，对以后的天体研究起了极大的推动对以后的天体研究起了极大的推动作用作用；3）人们把牛顿力学体系的建立当作）人们把牛顿力学体系的建立当作近代近代科学体系形成的标志科学体系形成的标志。二、万有引力定律二、万有引力定律海王星海王星冥王星冥王星（小图像为空间原始图像，大图像为经过计（小图像为空间原始图像，大图像为经过计算机处理的冥王星表面）算机处理的冥王星表面）

21、另外，另外，牛顿力学理论能够预见新的物理现象牛顿力学理论能够预见新的物理现象，并，并能以天文观测或试验论证其正确性，如：能以天文观测或试验论证其正确性，如：5 5、牛顿获得巨大成就的原因、牛顿获得巨大成就的原因1）主观条件：）主观条件：有扎实的基础知识功底；有扎实的基础知识功底；勤奋和严谨的工作态度；勤奋和严谨的工作态度；热爱科学追求真理的精神；热爱科学追求真理的精神；借鉴前人的科学成果，等等。借鉴前人的科学成果，等等。2 2科学研究的痴情科学研究的痴情 牛顿对于科学研究专心到痴情的地步。牛顿对于科学研究专心到痴情的地步。据说有一次牛顿煮鸡蛋，他一边看书一边干活，据说有一次牛顿煮鸡蛋，他一边看

22、书一边干活，糊里糊涂地把一块怀表扔进了锅里，等水煮开糊里糊涂地把一块怀表扔进了锅里，等水煮开后，揭盖一看，才知道错把怀表当鸡蛋煮了。后，揭盖一看，才知道错把怀表当鸡蛋煮了。还有一次，一位来访的客人请他估价一具棱镜。还有一次，一位来访的客人请他估价一具棱镜。牛顿一下就被这具可以用作科学研究的棱镜吸牛顿一下就被这具可以用作科学研究的棱镜吸引住了，毫不迟疑地回答说：引住了，毫不迟疑地回答说：“它是一件无价它是一件无价之宝！之宝！”客人看到牛顿对棱镜垂涎三尺，表示客人看到牛顿对棱镜垂涎三尺，表示愿意卖给他，还故意要了一个高价。牛顿立即愿意卖给他，还故意要了一个高价。牛顿立即欣喜地把它买了下来，管家老太

23、太知道了这件欣喜地把它买了下来，管家老太太知道了这件事，生气地说：事，生气地说：“咳，你这个笨蛋，你只要照咳，你这个笨蛋，你只要照玻璃的重量折一个价就行了！玻璃的重量折一个价就行了！” 3 3喜欢养猫喜欢养猫 传说牛顿在盖房子时，坚持要留大小两传说牛顿在盖房子时，坚持要留大小两个猫洞，好让大猫走大洞、小猫走小洞。当然，个猫洞，好让大猫走大洞、小猫走小洞。当然，这只是个传说，不足为据。不过牛顿喜欢养猫这只是个传说，不足为据。不过牛顿喜欢养猫倒是真的。由于牛顿终身未婚，猫成了他生活倒是真的。由于牛顿终身未婚，猫成了他生活中不可缺少的伙伴，但猫也给他惹了不小的麻中不可缺少的伙伴，但猫也给他惹了不小的

24、麻烦，烦，16921692年牛顿母亲去世使他极其痛苦。一天年牛顿母亲去世使他极其痛苦。一天早晨，他为了平静一下，到剑桥大学礼拜堂做早晨，他为了平静一下，到剑桥大学礼拜堂做礼拜时，忘了熄灭蜡烛，可能是猫闯的祸，蜡礼拜时，忘了熄灭蜡烛，可能是猫闯的祸，蜡烛翻倒后，把摆在桌上的光学、化学手稿和其烛翻倒后，把摆在桌上的光学、化学手稿和其他论文化为灰烬。他论文化为灰烬。5 5、牛顿获得巨大成就的原因、牛顿获得巨大成就的原因2）客观条件：）客观条件：西欧思想解放运动（？）提供思想基础；西欧思想解放运动（？）提供思想基础；英国资产阶级革命的洗礼；英国资产阶级革命的洗礼；前人的研究成果为牛顿提供很好的条件；前

25、人的研究成果为牛顿提供很好的条件；三、晚年的困惑三、晚年的困惑晚年的牛顿开始致力于对神学晚年的牛顿开始致力于对神学的研究，他否定哲学的指导作用，的研究，他否定哲学的指导作用，虔诚地相信上帝，埋头于写以神学虔诚地相信上帝，埋头于写以神学为题材的著作。当他遇到难以解释为题材的著作。当他遇到难以解释的天体运动时，竟提出了的天体运动时，竟提出了“神是第神是第一推动力一推动力”的谬论。他说，的谬论。他说，“上帝上帝统治万物，我们是他的仆人而敬畏统治万物，我们是他的仆人而敬畏他、崇拜他。他、崇拜他。”4040岁以后，他把兴趣逐渐转向岁以后，他把兴趣逐渐转向政治、化学（贱金属变成黄金）、政治、化学（贱金属变成黄金）、神学问题，写了近神学问题，写了近200200万言的著作，万言的著作，毫无价值。毫无价值。三、晚年的困惑三、晚年的困惑原因：原因：1、个人的生理和心理原因：、个人的生理和心理原因：晚年患严重的忧郁症；2、认识的局限：、认识的局限：当时科技还不发达的情况下人们认识 总是相对的；3、时代的局限：、时代的局限：神学的阴影还未消退。 他在辞世之前曾简短地他在辞世之前曾简短地评价过自己：评价过自己： “我不知道世人怎样看我不知道世人怎样看我，但我自己以为我不过像