站在巨人肩上的巨人——牛顿

德州二中  王新岩

一、课程教学思路

牛顿是英国著名的物理学家、数学家、天文学家、自然哲学家，被誉为“近代物理学之父”，他是中学生比较熟悉的科学巨匠家之一，但是他的一生到底取得了哪些成就，对科学的发展起到了什么样的作用，同学们对这些的了解还是比较片面的甚至是肤浅的。本节课结合牛顿的生平对牛顿一生的贡献进行了梳理，让同学们走近伟人，向伟人学习，激发学生的学习和研究的欲望。

二、教学目标

榜样激励，提升兴趣，感悟科学的力量，在同学们心中播撒科技的种子。

三、教学过程

（一）永远的牛顿

在20世纪行将结束的时候，英国的《星期日泰晤士报》邀请了20位世界级的历史学家、科学家及哲学家等，来推选他们心中1000年来最有影响的人物。伊萨克·牛顿以绝对的优势击败了爱因斯坦、莎士比亚等当选。

牛顿为何有如此大的影响力？ 让我们先来看看牛顿的一生。

1643年1月4日出生于林肯郡乌尔索普。
1655年12岁   入格兰瑟姆中学学习。
1661年19岁   入剑桥大学三一学院学习。
1665年24岁   发现二项式定理。
1665年～1666年24岁  因鼠疫流行回到家乡，对光学、力学、数学有多方面的研究和突破。
1668年26岁   制成反射式望远镜。
1669年27岁   著《论用无限项方程所作的分析》，任卢卡斯讲座教授。
1671年29岁   著《级数和流数方法论著》。
1672年30岁   当选为皇家学会会员，宣读《关于光和颜色的理论》的论文。
1684年42岁   会见哈雷，证明引力平方反比定律。
1687年44岁   著《自然哲学的数学原理》。
1689年47岁   母亲去世。
1700年57岁   发明六分仪。
1727年3月20日84岁   逝世。

从中可以看到牛顿的非凡成就 ：他创立的微积分成为描述物理世界的基本数学工具；他首先对物理光学进行研究并为后来的研究者指明了研究方向；运动学三大定理在今天仍然是我们物理课本的基本内容；万有引力定律改变了人们对狭义宇宙的认识。

他所获得的成就中的任何一项都足以使他名垂千史，可他却集诸成于一身，这就是牛顿。

1727年3月20日，84岁的牛顿在睡梦中安然逝去。 作为国家荣誉的象征，英国政府为牛顿举行了隆重的国葬。他的棺木由两位公爵、三位伯爵和大法官一起缓缓抬放在伦敦的威斯敏斯特教堂中。威斯敏斯特教堂历来是英国皇室成员及国家元勋的安息之地，牛顿是第一位安葬于此的学者。

在牛顿去世后的第四年,他的亲戚为他建立了一座雄伟的纪念碑,上面刻着的墓志铭总结了他的一生，以下是墓志铭的拉丁原文：

H. S. E.

Isaacus Newton Eques auratus,
Qui animi vi prope divina,
Planetarum motus, figuras,
Cometarum semitas, Oceanique aestus,
sua mathesi facem praeferente,
primus demonstravit;
Radiorum lucis dissimilitudines,
Colorumque inde nascentium proprietates,
quas nemo anteá vel suspicatus erat, pervestigavit.
Naturæ, Antiquitatis, S. Scripturæ.,
sedulus, sagax, fidus Interpres.
Dei O.M. majestatem philosophia asseruit;
Evangelii simplicitatem moribus expressit.
Sibi gratulentur mortales
Tale tantumque extitisse
Humani Generis Decus.
Nat. XXV Dec. AD. MDCXLII. Obiit XX Mar. MDCCXXVI

FINIS

译文：

伊萨克.牛顿爵士
安葬在这里.
他以超乎常人的智力,
第一个证明了行星的运动与形状;
慧星轨道与海洋的潮汐.
他孜孜不倦地研究光线的各种不同的折射角,
颜色所产生的种种性质.
对于自然,历史和《圣经》, 他是一个勤勉,敏锐而忠实的诠释者.
他以自己的哲学证明了上帝的庄严,
并在他的举止中表现了福音的纯朴.
让人类欢呼
曾经存在过这样一位
伟大的人类之光.
伊萨克爵士生于1642年12月25日.
卒于1727年3月20日.

后人对牛顿的评价：

近代科学革命的火把传到了牛顿手里，
他是勇敢的，
微积分、光的理论、万有引力，
他为手中的火把添加如此充分的燃料；
他是幸运的，
那些伟大的灵魂都已成为先驱，
而他踩在了他们肩上，
他注定比他们站得更高，
也看得更远，
他的火把照亮了真个世界。

亚历山大·蒲柏对牛顿的评价 ：

Nature and Nature's laws lay hid in night;
God said,"let Newton be!" and all was light.
Soon,everything returned back to the dark as AIl
be there…

自然和自然的法则在黑夜中隐藏；
上帝说，“让牛顿去吧！”于是一切都被照亮。
不久一切又回到黑暗，
一如既往。   

恩格斯对牛顿的评价

牛顿由于发现了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分解而创立了科学的光学，由于建立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科学的力学。

（二）牛顿的特别贡献：二项式定理与微积分、色与光、力与运动

1、二项式定理与微积分

1665年，牛顿即将从大学毕业时，研究出了关于二项式任意次方的计算方法，即二项式定理。该研究也激发了牛顿关于微积分的思考。

1669年，牛顿创造了流数术，并完成了流数术的第一篇论文—《无穷多项方程的分析》；1671年，牛顿写出了更加深入的流数术理论《流数术和无穷级数》；1676年，又完成了《曲线求积分》。这三部著作成为了数学发展史上不可磨灭的里程碑。

同时，德国的莱布尼兹与牛顿得出了同样的研究，只是命名不同，由于莱布尼兹最早将这一数学工具公布，因此它就采取了莱布尼兹的命名—微积分。

2、色与光

牛顿还是学生时，在散步途中顺手买了两块三棱镜，面对光的色散，当时书上的解释是：这种现象的产生是白光与棱镜相互作用的结果，白光本身只是一种单纯的物质。牛顿对此心生疑问，于是做了一系列实验验证，这就是著名的光的色散实验，随后，牛顿提出了自己的光学理论。

当时，牛顿在家对其光学发现进行了3个月的反复试验和验证。这种实验证明自己理论的方法在17世纪还少有学者采用，那时学者大都依靠推测来完成理论发现。在此之前，伽利略也崇尚用实验验证物理现象，牛顿就将其方法发展和系统化，形成了“归纳-演绎法”的牛顿思维体系。这一思想深刻影响了科学的发展。

白光是复合光，是可以分解为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫光的！

当年牛顿发表了光的微粒说，引起了轩然大波，还与胡克及惠更斯进行了长期辩论，最终以其能解释更多现象得到公认。后又因托马斯·杨的实验使波动说占了上风。直到爱因斯坦出现后，光的波粒二象性彻底被学术界广泛接受。

可贵的是，牛顿在《光学》的结尾部分列举了关于光学的31个疑问，其中最后一个疑问竟长达31页，他提出了一个极为重大的问题：“自然界中的各种力量是否具有统一性？”

《光学》的全称是《光学或光的反射、折射、弯曲与颜色的论述》，它开辟了新的光学研究领域。

3、力与运动

开普勒提出了行星运动的三大定律，却不知道是什么力量使行星遵从这三大定律。而牛顿正在苦苦思索行星绕日运动的原因时，收到了苹果的启发，因此想到了万有引力。

但牛顿的思维非常谨慎，连续几个月他一直在思考：地球的引力为什么恰好使月球围绕地球旋转，而月球却不像苹果那样坠落地球？然后，牛顿想到了伽利略提到的惯性，最终搞清了引力是如何在太阳系中起作用的，并用借其非凡的天赋以数学形式将万有引力定律表达了出来。

牛顿受苹果启示而发现万有定律可能是人们充满敬意的杜撰，但院子里的这棵苹果树却被赋予了非凡的意义。当1820年，这棵树老死时，它被锯为几段，当做文物保存了起来。幸运的苹果树啊，因牛顿而载入史册。

牛顿结合月球初速度的设想，得出了月球绕地球运动的原理，这个初速度被称为第一宇宙速度，因此，牛顿是第一个具有人造地球卫星思想的人。

牛顿用万有引力解释了天体运行及潮汐现象，天文学中最具代表性的验证是它预言了哈雷彗星的回归。

最后，让我们再次回顾牛顿的主要贡献，缅怀伟人。

在力学上提出三大运动定律和万有引力定律；在光学上作出了白光是由七色光组成的判决实验，发现并解释“牛顿环”的干涉现象，创制了反射望远镜并提出光的微粒说；在数学上发现了微积分运算方法和无限级数理论等等。他的最重要的科学著作是：1687年初版的《自然哲学的数学原理》（简称《原理》），1704年初版的《光学》。尤其是《原理》一书，几百年来颇受推崇。