高中物理 第五章 經(jīng)典力學(xué)與物理學(xué)的革命 牛頓軼事素材 粵教版必修2（通用）

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1、牛頓軼事 蘋(píng)果的傳說(shuō) 　　許多介紹牛頓的書(shū)上都介紹過(guò)牛頓與蘋(píng)果的傳奇故事：1665－1666之間，由于劍橋流行黑熱病，學(xué)校被迫停學(xué)，剛從劍橋拿到學(xué)士學(xué)位的牛頓也返回了家鄉(xiāng)。一天，牛頓正坐在一棵蘋(píng)果樹(shù)下看書(shū)及思考問(wèn)題時(shí)，有一個(gè)蘋(píng)果落了下來(lái)，這一下子啟發(fā)了牛頓。但后來(lái)經(jīng)專(zhuān)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)的蘋(píng)果并沒(méi)有砸到牛頓。而且牛頓的 牛頓畫(huà)像(19張) 日記中回憶道，蘋(píng)果并沒(méi)有砸到他。這位當(dāng)時(shí)年僅23歲的學(xué)生立刻想到，蘋(píng)果一定是被地球的引力拉下來(lái)的，此后，經(jīng)過(guò)多年努力，他終于完成了萬(wàn)有引力定律的闡述、數(shù)學(xué)證明與公式推導(dǎo)。 　　這個(gè)故事流傳得非常廣泛，不過(guò)，近來(lái)有一位歷史學(xué)者提出異議，他認(rèn)為所說(shuō)并不是

2、事實(shí)。他的根據(jù)如下： 　　把這個(gè)故事最早公諸于眾的是法國(guó)作家伏爾泰 （Voltaire，1694－1778），他對(duì)牛頓的研究成果抱有極大熱情，并曾積極予以宣傳。1726年，他前往英國(guó)，當(dāng)年寫(xiě)了25篇通訊，其中第15篇通訊中提到這個(gè)蘋(píng)果落地的故事。他在文章中說(shuō)，這個(gè)故事是聽(tīng)牛頓的侄女告訴他的。此時(shí)是1726年。 　　其后，在1752年，有一位比牛頓小45歲的牛頓的朋友（William Stukeley），在他的回憶文章中說(shuō)，牛頓去世前一年，牛頓曾講過(guò)這個(gè)故事，而牛頓是1727年去世的，就是說(shuō)，牛頓在1726年自己也講過(guò)這個(gè)故事。 　　因此，這位歷史學(xué)者指出，在同一年（1726年），如果兩個(gè)

3、人都講過(guò)，那么，到底是誰(shuí)先講的？所以，關(guān)于蘋(píng)果的故事一定是瞎編出來(lái)的。有人認(rèn)為，這個(gè)蘋(píng)果的故事至少有兩點(diǎn)與已經(jīng)了解的歷史事實(shí)不符： 　　第一，萬(wàn)有引力不是牛頓一個(gè)人的獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，而是歷史上若干人的研究逐步探索、積累的結(jié)果，有的書(shū)上卻把萬(wàn)有引力定律以牛頓名字命名，這是不行的；另外，把牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力說(shuō)成是由于受了蘋(píng)果落地啟發(fā)的自然結(jié)果，根據(jù)歷史學(xué)者的觀點(diǎn)，顯然是對(duì)歷史的嚴(yán)重歪曲。第二，在1665年，牛頓對(duì)天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律問(wèn)題還沒(méi)有完全搞清楚，如果承認(rèn)這個(gè)蘋(píng)果故事，不是等于把牛頓對(duì)萬(wàn)有引力的發(fā)現(xiàn)提前了至少20年嗎？實(shí)際上，牛頓直到二十多年后才取得最終結(jié)論，并完成數(shù)學(xué)論證與公式推導(dǎo)。 　　持第一個(gè)觀

4、點(diǎn)的人認(rèn)為，不能把萬(wàn)有引力定律成果歸于牛頓名下，因?yàn)榍叭艘哺冻鲞^(guò)探索和努力。他們指出，萬(wàn)有引力發(fā)現(xiàn)的實(shí)際經(jīng)過(guò)大致是這樣的： 　　首先，開(kāi)普勒（J.Kepler,1571－1630）最早在探索行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，認(rèn)為引力就是太陽(yáng)發(fā)出的類(lèi)似于磁力的流，這些磁力流沿切線方向推動(dòng)著行星公轉(zhuǎn)，其強(qiáng)度隨離太陽(yáng)的距離而減弱。開(kāi)普勒還曾企圖用磁作用機(jī)制解釋橢圓軌道的產(chǎn)生。他還以月球與海水間的磁性吸引解釋潮汐現(xiàn)象。 　　1645年，法國(guó)天文學(xué)家布里阿德（I.Bulliadus）提出一個(gè)假設(shè)：“開(kāi)普勒力的減少，和離太陽(yáng)的距離的平方成反比”。這是第一次提出平方反比關(guān)系的思想。 　　1661 年，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)成立了

5、一個(gè)專(zhuān)門(mén)委員會(huì)研究重力問(wèn)題。羅伯特 胡克（Robert Hooke,1635－1703）、克里斯托夫 雷恩（Christopher Wren,1632－1723）、愛(ài)德蒙 哈雷（Edmund Halley,1656－1742）在引力問(wèn)題的研究上都曾做出過(guò)貢獻(xiàn)。據(jù)說(shuō)早在1661年，羅伯特 胡克就覺(jué)察到，引力和地球上物體的重力應(yīng)該是有著同樣的本質(zhì)。 　　在1674年的一次演講“證明地球周年運(yùn)動(dòng)的嘗試”中，胡克提出，要在一致的力學(xué)原則的基礎(chǔ)上建立一個(gè)宇 宙學(xué)說(shuō)，為此提出了以下三個(gè)假設(shè)：“第一，據(jù)我們?cè)诘厍蛏系挠^察可知，一切天體都具有傾向其中心的吸引力，它不僅吸引其本身各部分，并且還吸引其作用范圍

6、內(nèi)的其他天體。因此，不僅太陽(yáng)和月亮對(duì)地球的形狀和運(yùn)動(dòng)發(fā)生影響，而且地球?qū)μ?yáng)和月亮同樣也有影響，連水星、金星、火星和木星對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)都有影響。第二，凡是正在作簡(jiǎn)單直線運(yùn)動(dòng)的任何天體，在沒(méi)有受到其他作用力使其沿著橢圓軌道、圓周或復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)之前，它將繼續(xù)保持直線運(yùn)動(dòng)不變。第三，受到吸引力作用的物體，越靠近吸引中心，其吸引力也越大。至于此力在什么程度上依賴(lài)于距離的問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)中我還未解決。一旦知道了這一關(guān)系，天文學(xué)家就很容易解決天 體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律了?！焙耸紫仁褂昧恕拔Α边@個(gè)詞。他在這里提出的這三條假設(shè)，實(shí)際上已朦朧意識(shí)到有關(guān)吸引力的一些特性，只是他對(duì)引力與距離的關(guān)系還沒(méi)搞清楚，另外，只是缺乏

7、對(duì)引力的定量表述和論證而已。 　　1679年，胡克與牛頓之間進(jìn)行了關(guān)于引力問(wèn)題的交流，在1679年11月，牛頓致信胡克說(shuō)：“自己關(guān)于發(fā)現(xiàn)周日運(yùn)動(dòng)的想象，即設(shè)想一個(gè)自由落體落到地球上，通過(guò)地面進(jìn)入地球內(nèi)部，而不受任何物質(zhì)的阻礙，則該落體將沿著一條螺旋形軌道運(yùn)行，在旋轉(zhuǎn)數(shù)圈后，最終旋入（或十分接近）地心?！焙嘶匦耪f(shuō)，物體不會(huì)按螺線運(yùn)動(dòng)，而是按“一種帶橢圓狀的曲線”運(yùn)動(dòng)，它的軌道將“像－橢圓”。1679年12月13日，牛頓寫(xiě)信給胡克說(shuō)：“如果假定它的重力是均勻的，〔物體將〕不按螺線下沉那個(gè)真正的中心，而是以交替升降的形式運(yùn)行?！? 　　我們從后人清理牛頓同胡克的這些通信中看出，直至1679年，牛

8、頓對(duì)落體引力的問(wèn)題，還沒(méi)有徹底解決，他還在考慮物體的重心偏心可能會(huì)使落體在下落過(guò)程中邊旋轉(zhuǎn)邊落向地心，而胡克認(rèn)為，該物體的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)該是一個(gè)橢圓。從牛頓的角度來(lái)看，對(duì)于萬(wàn)有引力問(wèn)題，與距離平方成反比是沒(méi)問(wèn)題了，牛頓正在考慮的是與質(zhì)量的關(guān)系、及重心的偏心是否會(huì)對(duì)萬(wàn)有引力產(chǎn)生影響。還有，就是要用數(shù)學(xué)知識(shí)對(duì)萬(wàn)有引力作用下天體按橢圓軌道運(yùn)行作出嚴(yán)格證明，對(duì)萬(wàn)有引力定律作出公式推導(dǎo)。胡克在信中曾向牛頓提出過(guò)這個(gè)問(wèn)題，希望牛頓完成這個(gè)定律的數(shù)學(xué)證明與公式推導(dǎo)。因此，后來(lái)人們得出結(jié)論，一直到1685年，牛頓還沒(méi)有解決這個(gè)問(wèn)題。直到1686年，牛頓才最終解決了它，并且在哈雷的催促下，把這部分?jǐn)?shù)學(xué)論證的內(nèi)容一并

9、加入《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書(shū)。當(dāng)胡克老先生看到這本書(shū)的書(shū)稿后，認(rèn)為自己也應(yīng)該有一分功勞，于是向年輕人牛頓提出，最好在書(shū)里把自己在這一方面的工作成績(jī)提一下。后來(lái)有人氣憤地指出，這個(gè)本來(lái)是合理的要求卻遭到了牛頓的斷然拒絕。因?yàn)榕ｎD曾向負(fù)責(zé)出版這本書(shū)的哈雷寫(xiě)信說(shuō)，他不想給胡克任何榮譽(yù)，而且稱(chēng)在許多年前他就已經(jīng)知道了引力作用，以及與距離平方成反比的關(guān)系。 　　老年時(shí)的牛頓有一段回憶說(shuō)：“同年（1666年）我開(kāi)始把引力與月亮軌道聯(lián)系起來(lái)，并找出了如何估計(jì)一個(gè)天體在球體內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)用來(lái)趨向球面的力的方法，……， 最后在1676和1677年之間的冬天我發(fā)現(xiàn)了一個(gè)命題：利用與距離平方成反比的離心力，行星必然環(huán)

10、繞力的中心沿橢圓旋轉(zhuǎn)，……?！?牛頓的這段話指的是月亮軌道的推導(dǎo)及尋找行星繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的原因。有人說(shuō)，與前面他在信中與胡克討論落體問(wèn)題相比較，可以看出在時(shí)間上是矛盾的：牛頓1677年研究的是月球軌道和行星軌道問(wèn)題，而他1679年才研究質(zhì)量對(duì)落體的影響，因此人們說(shuō)，牛頓在這里是故意把他發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力的時(shí)間改在1679年與胡克通信之前，而且造出蘋(píng)果神話，其目的顯然是為了要獨(dú)吞萬(wàn)有引力這項(xiàng)成果。 　　牛頓和胡克之間的梁子，不僅表現(xiàn)在萬(wàn)有引力定律的爭(zhēng)議上，最早表現(xiàn)在胡克對(duì)牛頓的光的微粒說(shuō)有不同的看法，因?yàn)楹藢?duì)光的本質(zhì)是站在波動(dòng)說(shuō)一邊的。1673年，年輕的牛頓向皇家學(xué)會(huì)遞交了他關(guān)于光的一篇論文，后來(lái)他又

11、遞交過(guò)第二篇論文，這些論文受到老先生胡克的批評(píng)，并且說(shuō)論文的一些觀點(diǎn)是抄襲他的。這使牛頓無(wú)比憤怒，雖經(jīng)皇家學(xué)會(huì)調(diào)解，牛頓的怒氣未消，于1675年2月向胡克寫(xiě)了一封回信。信中說(shuō)：“如果我比笛卡爾看得更遠(yuǎn)，那是因?yàn)槲艺驹诰奕藗兊募绨蛏??！痹S多人把這句話理解為牛頓的謙虛精神，而攻擊牛頓者認(rèn)為，這其實(shí)是他對(duì)胡克的一種諷刺和蔑視，完全不是人們望文生義的那回事。 　　據(jù)此，“倒牛頓者”認(rèn)為：牛頓根本沒(méi)把胡克和笛卡爾看作巨人一樣尊敬，牛頓也沒(méi)有攀登他們所搭的梯子，他說(shuō)自己站在比梯子更高的巨人肩膀上，顯然這句話是對(duì)胡克的人身攻擊——胡克身材矮小。他們認(rèn)為，牛頓的《光學(xué)》著作所以在1704年出版，就是因?yàn)榕ｎD為了等胡克去世后才敢出版他的書(shū)。 　　“倒牛頓者”進(jìn)一步指出：牛頓獨(dú)占了萬(wàn)有引力的成果后，還不足以解除對(duì)胡克的恨，當(dāng)他于1703年被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的主席，就下令在皇家學(xué)會(huì)除去所有的胡克的肖像。所以當(dāng)時(shí)英國(guó)許多著名的科學(xué)家中就是胡克的肖像沒(méi)有留傳下來(lái)。