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牛顿的发觉

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牛顿的发觉

  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透镜均告失败后,决定采用球面反射镜作为主镜。

  他用2.5cm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了一个与主镜成45度角的反射镜,使经主镜反射后的会聚光经反射镜以90度角反射出镜筒后到达目镜。这种系统称为牛顿式反射望远镜。

牛顿的发觉

  牛顿在1666年最先利用三棱镜观察到光的色散,把白光分解为彩色光带(光谱)。色散现象说明光在介质中的速度v=c/n(或折射率n)随光的频率f而变。光的色散可以用三棱镜,衍射光栅,干涉仪等来实现。光的色散证明了光具有波动性。

  牛顿在1671年写了《流数术和无穷级数》,这本书直到1736年才出版,它在这本书里指出,变量是由点、线、面的连续运动产生的,否定了以前自己认为的变量是无穷小元素的静止集合。他把连续变量叫做流动量,把这些流动量的导数叫做流数。

  牛顿在流数术中所提出的中心问题是:已知连续运动的路径,求给定时刻的速度(微分法);已知运动的速度求给定时间内经过的路程(积分法)。

  牛顿运动定律包括牛顿第一运动定律、牛顿第二运动定律和牛顿第三运动定律三条定律,由艾萨克·牛顿在1687年于《自然哲学的数学原理》一书中总结提出。

  二项式定理(英语:binomial theorem),又称牛顿二项式定理,由艾萨克·牛顿于1664年、1665年间提出。

  生平 1643年1月4日生于英格兰林肯郡的乌尔索普镇的一个农民家庭,1727年3月31日卒于伦敦。中学时爱读书,对自然现象有强烈的好奇心,但学习成绩并不出众。1661年以减费生的身分进入剑桥大学三一学院。在名师I.巴罗的教导下,牛顿学习了算术、三角、欧几里得的《几何原本》 ,读了J.开普勒的《光学》、笛卡尔的《几何学》和《哲学原理》、伽利略的《两大世界体系对话》,R.胡克的《显微图集》及早期的《哲学学报》等。1665年伦敦大疫,学校停课,牛顿返回故乡。在家乡居住的两年中,牛顿创立了级数近似法以及一般的二项式展开定理,创立了微分(正流数)法,研究了颜色理论和积分(反流数)法,因此他成为微积分发明人之一。牛顿还开始研究重力问题,并把重力理论推广到月球的运行轨道上去。这两年是牛顿一生的重大科学思想孕育、萌发和形成的时期。1667年,牛顿重返剑桥大学。1668年3月1日选为三一学院的正院侣。1669年3月16日接替巴罗教授,任卢卡斯讲座教授。写下了光学讲稿、算术和代数讲稿、《自然哲学的数学原理》(简称《原理》)的一部分及《宇宙体系》等手稿。1672年选为皇家学会会员,1703年为该学会主席。1699年任造币厂厂长,对英国造币及改革币制有功。1705年封为爵士。晚年研究宗教。牛顿逝世后,以国葬礼葬于伦敦威斯敏斯特教堂。

  反射望远镜的发明和《光学》的发表 在牛顿前,折射式望远镜(开普勒和伽利略望远镜)早已发明并广泛用于天文观测,但都无法消除物镜的色差(见像差)。自1663年起,牛顿热衷于光学研究, 发明了以金属磨成的反射镜为物镜,避免了物镜的色差。他最初制成的这种反射望远镜的放大率为30~40倍。经改进后制成了更大的第二架反射望远镜,为皇家学会作为珍贵科学文物保存。迄今大型反射望远镜的制造还遵从此法。1666年,他开始用三棱镜来研究太阳光的色散现象并对此作出结论,即牛顿的色散理论,他关于白光由色光组成的发现为物理光学奠定了基础。1672年牛顿将结论送交皇家学会评审,竟引起一场尖锐论战,持光波动说的 C.惠更斯和R.胡克均反对他。尽管牛顿通过牛顿环的观测研究首先发现了光的干涉,但却认为光波动说不能解释光的直线进行,而持光的微粒学说。双方争论持续多年,到19世纪20年代,由T.杨、A.-J.菲涅耳等人经光的干涉、衍射及偏振建立起来的理论,以及A.H.L.菲佐测水中光速的实验结果,才完全推翻光的微粒说,确立了光的波动理论。20 世纪初A.爱因斯坦从光电效应提出新的光微粒说——光量子理论。今已经明确,光具有波粒二象性。

  牛顿的《光学》是物理学的巨著。书中涉及光学及物理学诸多其他方面的问题。1730年出版了牛顿生前校订过的《光学》第四版。现流行的1931年版本就是根据第四版重印的。

  万有引力和《自然哲学的数学原理》 16世纪丹麦天文学家B.第谷对行星绕日运行作了长期的观测,记录了大量准确可靠的天文数据资料,他死后20年,由德国天文学家J.开普勒整理分析这些资料,总结出行星运动的三定律——开普勒定律。牛顿又在该定律的基础上总结提高,得到万有引力定律,正好完成了从观测的原始材料(第谷)到经验规律(开普勒),再到动力学规律的、由实验到理论过程的三部曲。万有引力定律不但能解释行星的运动,而且还能解释其他天体的复杂运动及地球上的潮汐现象等。牛顿的万有引力理论一直用于天文学,直到广义相对论出现后才被修正。

  1687年7月《自然哲学的数学原理》 拉丁文版问世。1729年由A.莫特将其译成英文付印,即今所见流行的《原理》英文本。《原理》的开头和第一编介绍了力学的基本运动三定律与基本的力学量;其中质量的概念是由牛顿首先提出及定义的。《原理》第二编中,讨论了物体在阻尼介质中的运动,提出阻力大小与物体速度的一次及二次方成正比的公式。还研究了气体的弹性和可压缩性,以及空气中的声速等问题。《原理》第三编题为宇宙体系,讨论了太阳系的行星、行星的卫星和彗星的运行,以及海洋潮汐的产生,涉及到多体问题中的摄动。全书贯穿了牛顿和G.W.F.von莱布尼兹分别独立发明的数学方法——微积分法,这是牛顿最伟大的成就之一。

  牛顿集16~17世纪科学先驱者的大成,建立起一个完整的理论体系,以概括万物的运动规律。这是人类认识自然历史中第一次的理论大综合。牛顿力学是经典物理学、天文学、现代工程力学以及与之有关的工程技术的理论基础。这些成就,使以牛顿为代表的机械论的自然观,在整个自然科学领域统治长达了200年之久。

  哲学、宗教及其他成就 牛顿的万有引力定律和运动三定律把天上的星体运动与地上的运动完全统一起来,实现了天地间的统一。这是牛顿在自然哲学上的伟大贡献。牛顿排斥了机械的以太观点,由万有引力而提出了超距作用的概念。尽管他本人并不认为这是最终解释,但此后质量间或电荷间的相互作用的超距性的观念一直占支配地位,直到J.C.麦克斯韦电磁场论的近距作用出现。

  牛顿是站在哥白尼、布鲁诺、伽利略等科学巨人肩上的物理权威,他坚信一切来自实验和最终归回实验的现代科学唯物主义的精神。牛顿关于实验的论述启开了实验科学的大门,300年来为自然科学的繁荣立下了功勋。爱因斯坦曾指出:“在牛顿之前还没有什么实际的结果支持那种认为物理因果关系有完全链条的信念。”牛顿是完整的物理因果关系的创始人;而因果关系正是经典物理学的基石。牛顿是崇信上帝的基督教徒。他科学成就虽很大,但有些认识却是唯心的,例如对太阳系的起源,他归因于“上帝的一击”。说明他的世界观或多或少受到其宗教信仰的限制。

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