從牛頓到愛因斯坦

1、從牛頓到愛因斯坦物理史上的兩大巨人上一千年最有影響力的思想家 1. Karl Marx 馬克斯 2. Albert Einstein 愛因斯坦 3. Isaac Newton 牛頓 4. Charles Darwin 達(dá)爾文 英國BBC 2000年票選上一千年最有影響力的人 1. Albert Einstein (1879-1955) 愛因斯坦 2. Martin Luther (1483-1546) 馬丁 路得 3-4 Karl Marx (1818-1883) 馬克斯 William Shakespeare (1564-1616) 莎士比亞 5. Isaac Newton (1642-17

2、27) 牛頓 6. Adolf Hitler (1889-1945) 希特勒 7. Christopher Columbus (1451-1506) 哥倫布 8. Johannes Gutenberg (1398-1468) 古騰堡 9. Charles Darwin (1809-82) 達(dá)爾文 10. Galileo Galilei (1564-1642) 伽里略The Globe and Mail 1999 年票選Isaac Newton 16421727牛牛 頓頓艾薩克牛頓（艾薩克牛頓（Sir Isaac Newton）現(xiàn)代科學(xué)之父現(xiàn)代科學(xué)之父 我不知道我呈現(xiàn)了什麼給這世界，但展我不知道

3、我呈現(xiàn)了什麼給這世界，但展現(xiàn)在我面前的是一片尚未被發(fā)掘的真理的?，F(xiàn)在我面前的是一片尚未被發(fā)掘的真理的海洋。洋。 西元西元16421642年年，牛頓牛頓出生在英國出生在英國烏爾索坡烏爾索坡的偏僻村落。出生前父親就過世，母親也在的偏僻村落。出生前父親就過世，母親也在他他3 3歲的時(shí)後改嫁。因此歲的時(shí)後改嫁。因此牛頓牛頓是被外婆撫養(yǎng)長是被外婆撫養(yǎng)長大的，個(gè)性有點(diǎn)孤僻、內(nèi)向、害羞。大的，個(gè)性有點(diǎn)孤僻、內(nèi)向、害羞。 牛頓牛頓小時(shí)在校的成績並不優(yōu)秀，可是對小時(shí)在校的成績並不優(yōu)秀，可是對於一切他不明白的事物都很感興趣，並且會於一切他不明白的事物都很感興趣，並且會不厭其煩的動(dòng)手去做實(shí)驗(yàn)。不厭其煩的動(dòng)手去做實(shí)驗(yàn)

4、。 此時(shí)展露木刻模型及機(jī)械方面的天份，此時(shí)展露木刻模型及機(jī)械方面的天份，發(fā)明了水鐘、風(fēng)車及燈籠等東西，可以說是發(fā)明了水鐘、風(fēng)車及燈籠等東西，可以說是一個(gè)一個(gè)少年發(fā)明家少年發(fā)明家！ 少年牛少年牛 頓頓 1665 1665年獲得學(xué)士學(xué)位後兩年是牛頓自年獲得學(xué)士學(xué)位後兩年是牛頓自認(rèn)為一生當(dāng)中獨(dú)創(chuàng)力的顛峰時(shí)期，認(rèn)為一生當(dāng)中獨(dú)創(chuàng)力的顛峰時(shí)期，萬有引萬有引力力就在此時(shí)發(fā)現(xiàn)，因而有烏爾索普的蘋就在此時(shí)發(fā)現(xiàn)，因而有烏爾索普的蘋果樹的傳說。果樹的傳說。 力學(xué)力學(xué)與與微積分微積分也都是此段時(shí)間發(fā)明的；也都是此段時(shí)間發(fā)明的；圓與橢圓面積圓與橢圓面積的計(jì)算是當(dāng)時(shí)數(shù)學(xué)家挑戰(zhàn)的的計(jì)算是當(dāng)時(shí)數(shù)學(xué)家挑戰(zhàn)的難題，居然被難題，居

5、然被2525歲的牛頓解決了。歲的牛頓解決了。 16671667年初，牛頓帶著一流的研究成果年初，牛頓帶著一流的研究成果回到劍橋三一學(xué)院，購買實(shí)驗(yàn)器材，開始回到劍橋三一學(xué)院，購買實(shí)驗(yàn)器材，開始製作反射望遠(yuǎn)鏡，並且定居下來。製作反射望遠(yuǎn)鏡，並且定居下來。牛頓的黃金時(shí)期牛頓18歲時(shí)進(jìn)入劍橋大學(xué)就讀，23歲從劍橋大學(xué)畢業(yè)後，當(dāng)時(shí)由於黑死病蔓延，便躲回家鄉(xiāng)。在家鄉(xiāng)的這兩年（2325歲）是他這一生創(chuàng)造力最顛峰的時(shí)期，也奠定了他一生中三大發(fā)現(xiàn)萬有引力、光學(xué)及微積分的重要基礎(chǔ)。 牛頓的數(shù)學(xué)原理 牛頓牛頓1818歲時(shí)進(jìn)入劍橋大學(xué)就讀，畢業(yè)後第二年，歲時(shí)進(jìn)入劍橋大學(xué)就讀，畢業(yè)後第二年，接任他的老師巴勞數(shù)學(xué)講座教授

6、的遺缺，正式成為劍接任他的老師巴勞數(shù)學(xué)講座教授的遺缺，正式成為劍橋大學(xué)的教授。橋大學(xué)的教授。 牛頓在牛頓在16841684年跟他的好朋友哈雷（算出哈雷彗星年跟他的好朋友哈雷（算出哈雷彗星週期）解釋，如何用數(shù)學(xué)的方法，計(jì)算出行星的運(yùn)動(dòng)週期）解釋，如何用數(shù)學(xué)的方法，計(jì)算出行星的運(yùn)動(dòng)和橢圓形軌道。哈雷覺得牛頓的研究是很大的突破，和橢圓形軌道。哈雷覺得牛頓的研究是很大的突破，馬上勸他將研究的原理公告世人，後來成為科學(xué)史上馬上勸他將研究的原理公告世人，後來成為科學(xué)史上空前偉大的著作，簡稱為空前偉大的著作，簡稱為數(shù)學(xué)原理數(shù)學(xué)原理。 牛頓的黃金時(shí)期牛頓的黃金時(shí)期哈雷 他的這本他的這本數(shù)學(xué)原理數(shù)學(xué)原理是自然科

7、學(xué)史上的重是自然科學(xué)史上的重要文獻(xiàn)。在這本書內(nèi)，牛頓提出並定義了一系列要文獻(xiàn)。在這本書內(nèi)，牛頓提出並定義了一系列奠定力學(xué)基礎(chǔ)的基本概念，例如奠定力學(xué)基礎(chǔ)的基本概念，例如質(zhì)量、慣性、力質(zhì)量、慣性、力與向心力、絕對時(shí)間、絕對空間與向心力、絕對時(shí)間、絕對空間等。等。 牛頓的經(jīng)典力學(xué)還包括了牛頓的經(jīng)典力學(xué)還包括了天體力學(xué)的理論，天體力學(xué)的理論，研究行星的運(yùn)動(dòng)，月球的運(yùn)動(dòng)，潮汐，歲差和彗研究行星的運(yùn)動(dòng)，月球的運(yùn)動(dòng)，潮汐，歲差和彗星的運(yùn)動(dòng)星的運(yùn)動(dòng)等。當(dāng)然，最主要還是等。當(dāng)然，最主要還是運(yùn)動(dòng)三大定律運(yùn)動(dòng)三大定律，或我們現(xiàn)在稱之為牛頓三大定律。或我們現(xiàn)在稱之為牛頓三大定律。 牛頓牛頓的的數(shù)學(xué)原理數(shù)學(xué)原理 萬有

8、引力萬有引力 牛頓牛頓另外還有一個(gè)偉大的發(fā)現(xiàn)，就是發(fā)現(xiàn)另外還有一個(gè)偉大的發(fā)現(xiàn)，就是發(fā)現(xiàn)了了萬有引力萬有引力。事實(shí)上，萬有引力的概念早就有。事實(shí)上，萬有引力的概念早就有人發(fā)現(xiàn)並且提出來了?？墒?，只有牛頓利用數(shù)人發(fā)現(xiàn)並且提出來了?？墒?，只有牛頓利用數(shù)學(xué)原理證明。學(xué)原理證明。 從從牛頓牛頓所確立的所確立的萬有引力萬有引力之後，科學(xué)家可之後，科學(xué)家可以輕易的解釋以輕易的解釋歲差歲差、視差視差、潮汐潮汐、地球的形狀地球的形狀及及彗星的運(yùn)動(dòng)彗星的運(yùn)動(dòng)等問題，甚至能推算出等問題，甚至能推算出海王星海王星的的存在。存在。蘋果與月亮運(yùn)動(dòng)本質(zhì)一樣!慣性重力牛頓日夜從事研究的書桌，桌上放置的就是他自製的反射式望遠(yuǎn)鏡

9、牛頓的數(shù)學(xué)原理的其他成就 牛頓會的不只有會的不只有力學(xué)學(xué)，對於，對於光學(xué)光學(xué)，他也很，他也很有一套喔！有一套喔！牛頓製造出堪稱當(dāng)時(shí)最完美的製造出堪稱當(dāng)時(shí)最完美的望遠(yuǎn)望遠(yuǎn)鏡鏡，如果你有機(jī)會參觀現(xiàn)代最棒的，如果你有機(jī)會參觀現(xiàn)代最棒的望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡，你，你會發(fā)現(xiàn)它的構(gòu)造和當(dāng)初會發(fā)現(xiàn)它的構(gòu)造和當(dāng)初牛頓做的沒什麼兩樣！做的沒什麼兩樣！ 1704 1704年，他出了一本叫做年，他出了一本叫做光學(xué)：光的折光學(xué)：光的折射、反射、繞射和顏色射、反射、繞射和顏色的書。的書。17051705年，他受年，他受封為封為英國的爵士英國的爵士，是第一個(gè)因?yàn)閷W(xué)術(shù)成就而獲，是第一個(gè)因?yàn)閷W(xué)術(shù)成就而獲得這種頭銜的科學(xué)家。得這種頭銜的

10、科學(xué)家。 有很長一段時(shí)間有很長一段時(shí)間牛頓牛頓對物理不感興趣，反對物理不感興趣，反而很喜歡研究而很喜歡研究化學(xué)化學(xué)、煉金術(shù)煉金術(shù)。此外，。此外，牛頓牛頓也探也探討討宗教宗教事物，有許多關(guān)於事物，有許多關(guān)於宗教宗教的作品，在他死的作品，在他死後彙集出版。後彙集出版。 他也曾當(dāng)選國會議員及他也曾當(dāng)選國會議員及擔(dān)任鑄幣局局長擔(dān)任鑄幣局局長，17031703年，當(dāng)選為英國皇家學(xué)會的主席，這個(gè)職年，當(dāng)選為英國皇家學(xué)會的主席，這個(gè)職務(wù)一直擔(dān)任到他去世為止。務(wù)一直擔(dān)任到他去世為止。牛頓牛頓逝世於逝世於17271727年年，享年享年8383歲歲。站在巨人的肩上站在巨人的肩上 指克卜勒和伽利略。 牛頓牛頓的物理

11、學(xué)指導(dǎo)我們科學(xué)發(fā)展長達(dá)的物理學(xué)指導(dǎo)我們科學(xué)發(fā)展長達(dá)兩兩百多年百多年，在二十世紀(jì)以前，人們以為，在二十世紀(jì)以前，人們以為牛頓牛頓的的學(xué)說已經(jīng)是物理學(xué)的頂峰，一切物理學(xué)的疑學(xué)說已經(jīng)是物理學(xué)的頂峰，一切物理學(xué)的疑難都可以在他的學(xué)說中找到答案。難都可以在他的學(xué)說中找到答案。 但是，他的經(jīng)典力學(xué)最後仍然被但是，他的經(jīng)典力學(xué)最後仍然被愛因斯愛因斯坦坦的相對論的相對論修正了，現(xiàn)在物理學(xué)的發(fā)展修正了，現(xiàn)在物理學(xué)的發(fā)展也已經(jīng)完全超越了他的學(xué)說內(nèi)容；但是，也已經(jīng)完全超越了他的學(xué)說內(nèi)容；但是，牛牛頓頓提供了建立科學(xué)所需要的定理，促成了現(xiàn)提供了建立科學(xué)所需要的定理，促成了現(xiàn)代科學(xué)的誕生。代科學(xué)的誕生。牛頓對物理的主要

12、貢獻(xiàn) 發(fā)明微分與積分 提出運(yùn)動(dòng)三律 提出萬有重力律 光的色散 解釋光的行進(jìn) 提出光的微粒說 解釋月球運(yùn)動(dòng)與潮汐成因 著自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理三冊 (1687) 著光學(xué) 三冊(1704) 一統(tǒng)解釋地面物體與天上星體的運(yùn)動(dòng) 影響光學(xué)研究 建立物理研究典範(fàn)牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律 物體不受外力作用或所受外力的合力為時(shí)，則靜止者恆為靜止；運(yùn)動(dòng)者恆作等速度運(yùn)動(dòng)。牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律是延續(xù)伽利略的慣性 概念而成。牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律又稱為慣性定律。 【慣性是指物體不受外力作用時(shí)，具有 維持其原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特性】牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律無法以實(shí)驗(yàn)證實(shí)之。牛頓 第一運(yùn)動(dòng)定律物體若不受外力作用 (或受力作用，但合力為零)，則靜止者恆靜，運(yùn)

13、動(dòng)者恆做等速度運(yùn)動(dòng)牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律的實(shí)例 汽車啟動(dòng)時(shí)，乘客會往後仰；而汽車驟 停時(shí)，乘客會往前頃。 搖動(dòng)樹幹使果實(shí)掉落。 拍打衣服以去除灰塵。 將柄擊地使刀嵌入柄。 旋轉(zhuǎn)雨傘，雨滴會沿切線方向飛出。 牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律的探討 牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律又簡稱為運(yùn)動(dòng)定律。 牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律是牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律 的特例，但不包含於牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律 。 質(zhì)量為慣性的另一種測量： 質(zhì)量愈大者則其慣性愈大。 牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律適用於任何地方，故 在無重力處，可用來測量物體的質(zhì)量。 牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律的實(shí)例 用刷子刷掉衣服上的灰塵。鉛球受力愈大推得愈遠(yuǎn)。 愈重的東西愈不易推動(dòng)。 皮球在草地上滾動(dòng)，終至停止。 物體自高處自由

14、落下，愈近地面速度愈 快。 牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律物體如受外力的作用，則必沿力的方向產(chǎn)生加速度，這個(gè)加速度在一定質(zhì)量下，和外力成正比；在一定外力下和質(zhì)量成反比。作用力與反作用力實(shí)驗(yàn) 牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律 牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律又稱之為作用力與反 作用力定律。 作用力與反作用力必同時(shí)發(fā)生且同時(shí)消 失。 作用力與反作用力係分別作用於不同物 體，故不能互相抵消。 每施作用力於物體時(shí)，物體必相伴產(chǎn)生一個(gè)反作用力給予施力者；作用力與反作用力兩者必大小相等、方向相反、且作用在同一直線上。 牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律的探討 如果作用力與反作用力發(fā)生在同一系統(tǒng) 內(nèi)時(shí)，則可以互相抵消；因此時(shí)的兩力 係屬於系統(tǒng)的內(nèi)力，對整體而言並沒有 效

15、應(yīng)產(chǎn)生，故不影響整體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 當(dāng)兩物體發(fā)生力的交互作用時(shí)，兩物體 必受大小相等的力，故質(zhì)量大者所產(chǎn)生 的加速度較?。环粗?，質(zhì)量小者所產(chǎn)生 的加速度較大。 宇宙中力的總數(shù)目必為偶數(shù)。 牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律(作用力與反作用力定律)每施一作用力於一物體，物體必同時(shí)給予施力者一反作用力，作用力與反作用力大小相等，方向相反牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律的實(shí)例 人在行走時(shí)是足向後下方施力，地面對 足施反作用力而使人前進(jìn)。 舉槍射擊，子彈施反作用力於槍身而擊 痛肩膀。 火箭施力於排出的氣體， 被排出的氣體施反作用力 於火箭而使火箭升空。 漏氣的氣球往反方向飛去。 人能舉物，但不能舉起自己。 作用力與反作用力和平衡的兩力之比較 牛牛 頓頓 的的 話話牛頓是一位偉大的腦力勞動(dòng)者，他沉默牛頓是一位偉大的腦力勞動(dòng)者，他沉默寡言。他曾經(jīng)說過：寡言。他曾經(jīng)說過： 我並無特別過人的智慧，有的只是堅(jiān)