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发布时间:2014-11-25

艾萨克·牛顿(1643~1727)


牛顿保存的《自然哲学的数学原理》
牛顿运动三定律是经典物理学的基石,它是一个严谨的逻辑体系,而且用它几乎能解释所有宏观物体的运动现象。在中学学习牛顿定律时,计算应用题常用到的主要是第二定律,第一、第三定律似乎用处不大,但实际上它们是同等重要的。因为第二定律给出物体受力后运动状态如何改变,在实际应用中涉及的更多一些,因而常常被认为是牛顿三定律的核心。
  关于力和运动早就引起人们的注意,搬动物体需要用力,投掷石块需要用力……从感觉上来看,似乎力与运动联系在一起。古希腊哲学家亚里士多德就提出,有力才有运动,没有力就没有运动,力是维持运动的原因。这对后来的科学产生了很大的影响。当然,实际现象并不完全是这样,比如,箭脱弓之后已经不再受力(动力),并能继续向前飞行。为了解释这种现象,就必须造出一些虚无的力来维持箭的持续运动。到了伽利略时代,人们对此提出了质疑。在做过大量相对精确的实验的基础上,伽利略就指出:"以任何速度运动着的物体,只要除去加速或减速的外因,此速度就可以保持不变。"伽利略还做过一个思想实验,假设物体沿光滑斜面落下,并沿着另一斜面向上运动,则物体不受斜面倾角的影响仍将达到和原来同样的高度,只是需要的时间不同而已;如果这一斜面倾角逐渐变小,以致变为水平,那物体就会一直运动下去。
  与伽利略同时代很多人都在思考关于物体运动的问题。通过观察周围物体以及日月星辰的运动,许多哲学家都提出一个观点:宇宙间运动的总量是不会减少的。虽然这只是一个哲学的概念,但这引导人们努力去寻找合适描述具体运动的物理量,以便能看到运动的总量是守恒的。那么,这个合适的物理量到底是什么呢?
  比伽利略稍晚的笛卡尔不仅在哲学上取得巨大成就,在数学和物理学上也有巨大贡献,他也许没有做过什么具体实验,但靠着天才的直觉和严密的数学推理,他提出,一个物体若不受外力作用,将沿直线匀速运动。他还提出了宇宙间运动量的总和是常数的观点,他认为质量和速率的乘积是一个合适的物理量。的确,在孤立的场合,质量与速率的乘积能够很好地描述一个物体的运动状态。不过笛卡尔这里的速率是个没有方向的标量,从简单的实验就可以看出,他定义的物理量是不守恒的。比如,两个连在一起的物体,最初是静止的,速率都是零,那么这个物理量的总和也等于零;在相互作用后(比如爆炸),两个物体都获得了一定的速率,这个物理量的总和就不为零了,比相互作用前增大了。
  后来,牛顿把笛卡儿的定义略作修改,把速率改为速度,标量变为向量,就变成了牛顿所谓的"运动量",也就是我们今天所说的动量。
  牛顿在前人力学思想的基础上首先总结出牛顿第一运动定律,解决了不受力时物体的运动状态问题;接着在动量概念的基础上,提出了牛顿第二运动定律,解决了物体受力时运动状态的改变问题;牛顿第三运动定律指出物体间力的相互作用。至此,一切运动问题皆可解决了。
  1684年,牛顿开始写作《自然哲学的数学原理》(简称《原理》),系统地整理手稿,并重新考虑部分问题。1687年《原理》使用拉丁文出版,在绪论的运动公理或定律中提出了牛顿第二定律。


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