牛顿在科学史上的贡献及影响

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1、牛顿在科学史上的贡献及影响一、牛顿简介牛顿（ 1643 年 1 月 4 日1727 年 3 月 31 日）爵士，英国皇家学会会员，是一位英国物理学家、数学家、天文学家、自然哲学家和炼金术士。他在 1687 年发表的论文自然哲学的数学原理里，对万有引力和三大运动定律进行了描述。这些描述奠定了此后三个世纪里 物理世界的科学观点，并成为了现代工程学的基础。他通过论证开普勒 行星运动定律与他的引力理论间的一致性，展示了地面物体与天体的运动都 遵循着相同的自然定律；从而消除了对太阳中心说的最后一丝疑虑，并推动 了科学革命。在力学上，牛顿阐明了动量和角动量守恒之原理。在光学上， 他发明了反射式望远镜，并基

2、于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察，发 展出了颜色理论。他还系统地表述了冷却定律，并研究了音速。在数学上， 牛顿与戈特弗里德莱布尼茨分享了发展出微积分学的荣誉。他也证明了广 义二项式定理，提出了“牛顿法”以趋近函数的零点，并为幂级数的研究作 出了贡献。在2005 年，英国皇家学会进行了一场“谁是科学史上最有影响 力的人”的民意调查，牛顿被认为比阿尔伯特爱因斯坦更具影响力。二、牛顿在物理学及天文学上的贡献人们一提起牛顿首先就会想到他在物理学上的贡献。这其中包括了力学、 光学，热学等。以及他在天文学上发现的万有引力定律。2.1 牛顿精辟地阐述了著名的运动三定律。定律一：每个物体继续保持其静止或沿

3、一直线作等速运动的状态, 除非有 力加于其上迫使它改变这种状态。定律二：运动的改变和所加的动力成正比, 并且发生在所加的力的那个直 线方向上。定律三：每个作用总有一个相等的反作用和它相对抗, 或者说 , 两物体彼此 之间相互作用永远相等 , 并且各指其对方。牛顿三定律是在观察和实验的基础上发现的, 已被公认为宏观自然规律 , 并 成为数学演绎的基础。第一定律是在伽利略、笛卡儿关于惯性定律的基础上建 立起来的 , 对当今的物理学家来说 , 它几乎自然地成了力学的基础。第二定律是 在明确了质量概念以后 , 对伽利略动力学思想的发展, 它是运动三定律的核心。 牛顿第一和第二定律是密切相关的。第一定律

4、表明一个不受干扰力的质点保持 它的原有的运动状态第二定律则表明, 力只能引起原有运动状态的改变。故这 两个定律否定了伽利略 牛顿时代以前关于必须有力才能保持运动的错误观 点。第三定律的指出 , 可以说是牛顿对力学发展的一个最具创造性的独到的贡 献, 这个定律的确立指出了每一个力都有其反作用力, 从而对力的概念作了完整 的概括。这三个看起来非常简单的物体运动定律作为一个整体是动力学的基 础。这个基础 , 从牛顿奠定之后又成为近代动力学和天体力学研究的基本出发 点, 因此得到物理学家 , 甚至所有科学家和自然哲学家的极大重视。2.2、牛顿的万有引力定律万有引力定律是艾萨克 牛顿在前人（开普勒、胡克

5、、雷恩、哈雷）研究的 基础上，凭借他超凡的数学能力证明，在1687 年于自然哲学的数学原理 上发表的。牛顿的万有引力定律表示为：任意两个质点通过连心线方向上的力 相互吸引。该引力的大小与它们的质量乘积成正比，与它们距离的平方成反 比，与两物体的化学本质或物理状态以及中介物质无关。万有引力定律是解释 物体之间的相互作用的引力的定律。是物体（质点）间由于它们的引力质量而 引起的相互吸引力所遵循的规律。2.3 牛顿在光学上的三大贡献牛顿用极大的兴趣和热情对光学进行研究。1666 年，牛顿使用三棱镜进行 了著名的色散试验。他发现白光是由各种不同颜色的光组成的，这是第一大贡 献。牛顿为了验证这个发现，设

6、法把几种不同的单色光合成白光，并且计算出 不同颜色光的折射率，精确地说明了色散现象。揭开了物质的颜色之谜，原来 物质的色彩是不同颜色的光在物体上有不同的反射率和折射率造成的。牛顿由 于发现了白光的组成，认为折射望远镜透镜的色散现象是无法消除的，就设计 和制造了反射望远镜。为了制造望远镜，他自己设计了研磨抛光机，实验各种 研磨材料。公元 1668 年，他制成了第一架反射望远镜样机，这是第二大贡 献。反射望远镜的发明奠定了现代大型光学天文望远镜的基础。同时，牛顿还 进行了大量的观察实验和数学计算。牛顿还提出了光的“微粒说”，认为光是 由微粒形成的，并且走的是最快速的直线运动路径。他的“微粒说”与后

7、来惠 更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本理论。这是他的第三大贡献。此 外，他还制作了牛顿色盘等多种光学仪器。三、牛顿在数学上的贡献3.1 创立了微积分17 世纪以来，原有的几何和代数已难以解决当时生产和自然科学所提出的 许多新问题，在这样的背景下微积分学说诞生了。当时笛卡儿的几何学和瓦里斯的无穷算术对牛顿的影响最大。牛 顿将古希腊以来求解无穷小问题的种种特殊方法统一为两类算法：正流数术 （微分）和反流数术（积分），反映在1669 年的运用无限多项方程、 1671 年的流数术与无穷级数、1676 年的曲线求积术三篇论文和原 理一书中，以及被保存下来的1666 年 10 月他写的在朋友们中间传

8、阅的一篇 手稿论流数中。所谓“ 流量” 就是随时间而变化的自变量如x、y、s、u 等， “ 流数” 就是流量的改变速度即变化率。他说的“ 差率”“变率” 就是微分。与此同 时，他还在 1676 年首次公布了他发明的二项式展开定理。牛顿利用它还发现 了其他无穷级数，并用来计算面积、积分、解方程等等。1684 年莱布尼兹从对 曲线的切线研究中引入了和拉长的S作为微积分符号，从此牛顿创立的微积分 学在大陆各国迅速推广。3.2 发现了二项式定理在一六六五年，刚好二十二岁的牛顿发现了二项式定理，这对于微积分的 充分发展是必不可少的一步。二项式定理在组合理论、开高次方、高阶等差数 列求和，以及差分法中有广

9、泛的应用。项式级数展开式是研究级数论、函数 论、数学分析、方程理论的有力工具。公式为： (a+b)n=Cn0anb0+Cn1a(n-1)b1+Cnna0bn此定理指出：1、(a+b)n的二项展开式共有n+1 项，其中各项的系数Cnr(r0， 1，2，n)叫做二项式系数。等号右边的多项式叫做二项展开式。2、二项展开式的通项公式(简称通项 )为 Cnr(a)(n-r)br，用 Tr+1 表示 (其中“ n+1” 为角标)，即通项为展开式的第r+1 项(如下图 )，即 n 取 i 的组合数 目。3.3 其他方面1707 年，牛顿的代数讲义经整理后出版，定名为普遍算术。他主要讨 论了代数基础及其 (通

10、过解方程 )在解决各类问题中的应用。书中陈述了代数基本概念与基本运算，用大量实例说明了如何将各类问题化为代数方程，同时对 方程的根及其性质进行了深入探讨，引出了方程论方面的丰硕成果，如:他得出 了方程的根与其判别式之间的关系，指出可以利用方程系数确定方程根之幂的 和数，即 “ 牛顿幂和公式 ” 。牛顿对解析几何与综合几何都有贡献。他在1736 年出版的解析几 何中引入了曲率中心，给出密切线圆(或称曲线圆 )概念，提出曲率公式及计 算曲线的曲率方法。并将自己的许多研究成果总结成专论三次曲线枚举， 于 1704 年发表。此外，他的数学工作还涉及数值分析、概率论和初等数论等 众多领域。四、牛顿在科学

11、史上的影响恩格斯在谈到牛顿的成就时说, 牛顿“ 借助于万有引力定律而创造了科学的 天文学 , 借助于对光学的分解而创造了科学的光学, 借助于二项式定理和无穷级 数理论而创立了科学的数学, 借助于对力的本性认识而创造了科学的力学” 。对 牛顿的科学贡献作了极高的评价。牛顿是一位伟大的物理学家、数学家和天文 学家。他一生的重要贡献是集十六、十七世纪科学先驱们成果的大成。以自然哲学的数学原理出版为标志创立了一个完整的经典力学理论体系, 把天地间万 物的运动规律概括在一个严密的统一理论中, 正确地反映了宏观物体低速运动 的宏观运动规律 , 从而完成了人类文明史上第一次自然科学的大综合。以牛顿 命名的力

12、学是经典物理学和天文学的基础, 也是现代工程力学以及与之有关的 工程技术的理论基础。此外, 为了说明天体现象和物理规律, 牛顿在数学上创建 的微积分。尽管关于微积分之发明, 史学家也归功于莱布尼兹 ,因为他们几乎同 时创立了微积分学与微分方程, 为后来自然科学的发展提供了最为必要的思想 工具和数学手段 , 开创了数学发展的新纪元。同样, 牛顿在热学、光学、天文学 等方面都做出了自己的卓越贡献。如同历史上一切伟大人物一样, 牛顿虽然对 人类作出了巨大的贡献 , 但他也不能不受时代的限制。他对那些暂时无法解释 的自然现象归结为上帝的安排, 提出所谓 “ 第一推动力 ” , 花费后半生的心血写 出巧万字的神学著述。牛顿虽然有这样或那样的缺点或不足, 然而正是经典力 学的建立表明了一个新时代和新科学文明的到来。牛顿是一位真正不朽的科学 巨人。