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高中历史电子书：人教版历史选修4教师用书第六单元第4课近代科学之

父牛顿 第4课近代科学之父牛顿

一、教学目标

1．知识结构

2．教材分析与建议

重点

牛顿力学体系的形成在科学史上的重要地位作用

牛顿能够成为近代科学之父的原因

难点

牛顿力学体系的形成在科学史上的重要地位和作用

教材内容分析与建议

本课教材主要从三个方面介绍了近代科学之父牛顿在科学领域的伟大成就，以及取得这些成就的原因：牛顿缙诘目蒲Х⒚饔氪丛臁⑼蛴幸Χ傻姆⑾帧⑶诜艿奶剿骱涂蒲У难芯糠椒āＵ庑┠谌菀环矫

裁幢怀莆?ldquo;近代科学之父”，另一方面介绍娼樯芰伺６僖簧奈按罂蒲Х⑾趾痛丛欤得髋６傥

了牛顿取得巨大成就的原因──勤奋的探索和科学研究方法，说明牛顿为什么能够成为“近代科学之父”。内容涉及到牛顿的童年、中学时代、大学生活、艰苦的研究生活和勤奋的探索精神等。与内容相关的图片、漫画、实物和文字资料非常丰富。建议教学中进行适当拓展，增加学生对牛顿和牛顿科学成就的进一步了解。

本课引言由文字和插图两部分组成。文字简单介绍了牛顿墓碑上的文字（也就是英国诗人对牛顿的歌颂），然后介绍了牛顿在科学领域的重要地位；插图描绘的是牛顿坐在桌前的画像。建议教师首先引导学生阅读引文内容，观察插图。然后向学生提问：为什么牛顿被称为近代科学之父？在学生回答的基础上，教师总结，引导学生进入本课的学习。

第一目“早期的科学发明和创造”

教材以时间为线索，讲述了牛顿童年、中学和大学时代的生活学习以及早期的发明、创造和科学发现。教师可以结合教材，适当补充材料，说明牛顿的学习、生活和早期成就，使学生认识到更真实、更生活化的牛顿，从而使学生走近伟人，感悟其品质和精神。

（1）牛顿的童年

牛顿生活的年代是17世纪中期至18世纪早期，正是欧洲社会发生巨大变革的伟大时代。资本主义进一步发展，自然科学有所突破，思想文化继承了文艺复兴时期的人文主义，进一步发展为启蒙运动时期的理性主义。

1642年，正当英国资产阶级革命时期，斯图亚特王朝的国王查理一世挑起内战的那一年，也是伽利略逝世的那一年，牛顿出生在英国北部一个叫乌尔索普的小村庄。他的父亲继承祖产，是当地一个有钱人。他的母亲汉娜是一个出身没落贵族家庭的有教养的大家闺秀。牛顿快要出生的时候，36岁的父亲突然病逝。据说牛顿出生的时候身体很弱，当时流传着这样一个小故事：“被雇来帮助牛顿母亲汉娜的两个女佣，被差遣去一个夫人家里拿药；很显然牛顿太孱弱了，这两个女佣取到药回来时，她们以为来不及了，那孩子必定已经死了，就坐在台阶前休息。”牛顿3岁的时候，母亲汉娜改嫁，牛顿的童年时代是和外婆一起生活的，一直到11岁母亲因第二位丈夫去世重新回到牛顿身边。童年时代的牛顿动手能力很强，他小时候制作的模型有能够运转的风车，牛顿有时候放一只小老鼠进去转动风车叶片；还有风筝、可用的日晷、纸灯笼等，在阴暗的早晨牛顿就打着自制的灯笼去上学。

建议教师把牛顿生活的时代特征简明地加以说明，这样有助于学生更好地把历史人物放在特定的历史条件下去理解、认识和评价。

（2）牛顿的中学时代

牛顿在格兰萨姆镇的国王中学上学，由于离家较远，租住在一家药房的楼上。房东先生是一位药剂师，平易近人，热情开朗，牛顿可以在他身旁看他工作和提出问题，从而给了牛顿早期的化学概念，也给了他自行做试验的机会。牛顿喜欢做试验，他把自己看到的现象都记录下来。有时候把药瓶旁边的说明书抄录下来，甚至自己还可能创造一些配方。在国王中学的时候，牛顿曾经与同学打架，那个同学的成绩比牛顿优秀。于是“战斗”结束以后，牛顿就宣布学习成绩一定要超过欺负过他的那个家伙，从此牛顿勤奋学习，在短期内成绩迅速超过了那个同学，而且跃居全班第一。牛顿16岁的时候，在学校里已经很有名气了，校长认定他是个应该进大学的候选人。可是，他的母亲汉娜并不重视教育，尽管她的哥哥受到剑桥大学的教育，但汉娜却认为没有多大必要让牛顿继续接受教育，不识字也能把农场经营得很好。校长的坚持使汉娜做出了一个决定，让牛顿辍学回家。在17世纪的时候，这个决定并不令人意外。辍学在家的牛顿总是寻找一切机会追求知识，表现出强烈的求知欲望，对农场上的工作显得心不在焉，被人们认为生活马虎、散漫。当地的地方法院至今仍记载着牛顿被处罚的情况：1659年牛顿被罚了3先令4便士，处罚原因是“放任他的羊群破坏了田野小树”。另外两次罚款，每次都是罚款1先令，是因为“放任他的猪群践踏玉米田”和“纵容他的田园篱笆毁损不予修理”。国王中学的校长看到牛顿展现出的无穷求知欲望，再次劝说汉娜，再加上汉娜哥哥（牛顿的舅舅）的劝说，汉娜终于同意让牛顿去上学了。这样，牛顿通过考试，在1661年成为剑桥大学的学生。

建议教师：着重从牛顿的强烈求知欲望来介绍牛顿的中学时代，使学生知道牛顿在中学的优异成绩来源于其刻苦勤奋。

（3）牛顿的大学时代

牛顿是以减费生的资格进入剑桥大学的。17世纪的剑桥大学还不是一个纯粹研究学术的地方，大学当局不仅管理着学校和学生，而且还干预剑桥的市政，甚至连市长的决策都要受到大学当局的干预和反对。英国从亨利八世主政以来，国王有法定权力可关闭国内的任何大学并占为己有，故而大学一向都效忠于王室。牛顿进入剑桥大学，只能处在社会的底层：减费生只比仆人好一点，要为特权学生收拾房间、清洗便器以贴补学费。

在剑桥大学，牛顿开始既不出色，也没有引起教授的注意。牛顿是一个向来专心用功的学生，大学的必修课程也要求十分紧迫，可是他的努力却大都花费在必修课程以外的知识上。牛顿和达尔文、爱因斯坦、霍金以及另外一些牛顿之后的伟大科学家一样，对于作为一个好学生所必须通过的许多考试，往往会准备不足。牛顿在考试所需复习的正式课程方面不甚用功，结果他毕业的时候没有得到什么特殊的荣誉。斯蒂克利（第一个写牛顿传记的作者）记述：“牛顿爵士在接受文学学士学位的仪式上被安排在第二列，属于人们戏称的输掉银币者”。（“输掉银币者”是指当时的一个传统：学生要向考试官缴纳9枚银币，如果学生考得好，考完之后银币发还给他；如果考得不好，钱就没收了。）但是，无论22岁的牛顿以何种成绩毕业，都不会影响他作为伟大科学家的声誉。更何况牛顿在大学毕业前夕，就提出了数学上有名的二项式定理以及微积分的初步算法。这一成就已经站在了当时数学研究领域的顶峰。所以有人说，即使牛顿没有别的成就，仅仅靠这个定理也足以使他在科学史上留下不朽的美名。

（4）牛顿的早期成就

牛顿从一个大学新生到成为剑桥大学卢卡斯讲座教授，总共费时8年。他以惊人的速度攀登学术地位的阶梯，也以惊人的速度同时进行科学和数学的研究工作，终于使他的名字镌刻在不朽的历史丰碑上。 巴罗教授是第一任卢卡斯讲座教授，这个职位的人选是由卢卡斯基金委员会指定的，只有真正有学问的人才能担任这一职务。1668年，巴罗教授推荐牛顿担任第二任卢卡斯讲座教授的职位，1669年牛顿就担任了这一职务（当时他还不到27周岁）。1665—1666年英国发生可怕的瘟疫，牛顿回到自己的家乡乌尔索普。这两年中，牛顿在光学、数学、力学等领域的研究都取得了重大的进展。可以说牛顿在乌尔索普的日子里产生了许多灵感和直觉，而且这些思想日后变成了伟大的定律，成为近代科技的基础。但乡居期间培养出来的思想并未成熟也未定型，这是牛顿的知识快速发展时期，也可以说是牛顿迈向成功的起步。关于牛顿与苹果的故事就是这个时候出现的，它说明牛顿开始思索重力观念的延伸问题。牛顿一生的工作习惯是手边能够拿到的，都可以用来写东西，在他母亲不久前用过的一张旧契约的背面，牛顿留下了他的思考历程。这张羊皮纸一直保留至今，上面写满了摘要和计算，那上面记载的东西最后导引出万有引力定律，但是也泄漏出牛顿那个时候的思考是不完善的。

1667年牛顿重新回到剑桥大学，为取得文学硕士和研究员资格做准备。对牛顿来说争取研究员资格的工作很重要，没有这个资格，他就无法继续留在剑桥，也许从此就默默无闻，或者到偏远地区当一个教区的牧师。经过严格的测试，牛顿终于成为剑桥大学的研究员。1668年牛顿成功地写了一篇著名的数学论文《无限级数的分析》。巴罗教授觉得这是一篇很有分量的论文，于是把它推荐给另外一位数学家、英国皇

家学会院士约翰·柯林斯。柯林斯教授非常希望发表这篇论文，但巴罗无论怎样也无法说服牛顿答应。因为牛顿从来不发表那些自己认为半生不熟的概念，也不愿提出尚未用数学表达或以实验具体化的过程。最后，牛顿只同意巴罗教授把自己的名字透漏给柯林斯教授。尽管牛顿不愿意发表这篇论文，可还是同意把论文交给皇家学会的主席和有限的几位具备这方面专长的会员阅读。同年，牛顿在天文学研究领域也作出了很大成绩。他设计并制作了世界上第一架反射望远镜，牛顿通过这架望远镜，考察行星运动，分析潮汐现象，预言地球不是正球体。这架反射式天文望远镜是完全由牛顿自己独立完成的，他用自己的配方做成合金，制造反射镜，自己凿模子，自己打光、做镜筒、装置部件、调整角度距离等。这架望远镜清晰度极佳，可以清楚地观测到圆圆的木星及其卫星群，也可以看到金星的角。1671年底，牛顿勉强同意让巴罗将天文望远镜带往皇家学会。好几年以后，伦敦的工艺师们试图仿制一具可用来观测的反射式天文望远镜，结果统统失败。

牛顿在光学领域的研究也有了很大的突破。在剑桥大学的时候，牛顿就开始研究光学，做了许多实验，写下很多研究心得。他仔细地观察光线穿过羽毛和各种织物所产生的折射现象，记载下“用羽毛或黑纱挡在我的眼睛和照射进来的太阳光线之间，就可以看见没有的光彩”。牛顿通过三棱镜对太阳光进行反射试验，证明日光即白光是由七色光组成的，还进一步说明了物体颜色的形成原理。他的实验和结论奠定了后来光谱学的基础。

牛顿作为卢卡斯讲座教授，第一次上课就是以光学为主题，以自己的发现和严格的数学支持来讲课。可是他那一小群学生则茫然无知，谁也没有意识到牛顿所讲述的理论基础，正是他后来的著作《光学》中的材料，是他对物理世界伟大贡献的两大支柱之一。因此，牛顿第二次上课的时候没有一位学生来听，不但如此，甚至在后来的17年间，几乎每一次上课都一样。很少有学生去听他的课，更难得有学生听得懂他的课。

1672年，牛顿被选为英国皇家学会院士。这年牛顿将自己光学论文《关于光和色的新理论》送交学会。牛顿在这篇论文中提出光的本质是“微粒”的学说。这个学说与后来的荷兰物理学家惠更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本理论。

第二目“发现万有引力定律”

这一目教材主要介绍了牛顿提出万有引力定律的过程、在科学研究领域的意义、地位等。建议教师可以着重从两个方面来安排教学，一是从万有引力定律的提出过程来探究灵感与勤奋的关系；二是通过讲述万有引力定律在科学史上的伟大意义来进一步认识牛顿的伟大贡献。

（1）《自然哲学的数学原理》的发表

1687年牛顿的科学巨著《自然哲学的数学原理》发表，提出了物体机械运动的三大定律和万有引力定律，这些定律构成一个统一的体系，把天上和地上的物体运动概括在一个理论中，牛顿力学体系确立起来。人们把牛顿力学体系的建立作为近代科学形成的标志，认为这是人类认识史上对自然规律的第一次理论上的概括和总结，所以有人把它誉为“从古至今最伟大的科学巨著”。

促成这部伟大科学巨著诞生的是英国著名天文学家哈雷。1684年的一天，有三个人约好在伦敦的一家咖啡馆见面，一个是牛顿，另一个就是哈雷，还有一个是牛顿学术上的死对头胡克。哈雷一向对行星运行

的原理很感兴趣，他向另外两位请教一个问题：“行星环绕太阳运行的作用力，会与其跟太阳的距离平方成反比吗？”虽然胡克指出根据此原理的所有天体的运动定律都有待于证明，胡克还说他已经证明过这个结果，只是不愿意向任何人透漏这个秘密，胡克并没有作出令人信服的解释。哈雷在与牛顿的接触中，逐渐摸到他的脾气。有一天哈雷问牛顿：“如果行星受太阳的吸引，且它们之间的作用力和它们的距离平方成反比的话，依你看来行星所走的路线是什么形状呢？”牛顿毫不犹豫地回答是椭圆形的。哈雷博士既惊喜又诧异，连忙问他是怎样知道的？牛顿回答说：“怎么，是我计算出来的呀！”哈雷当场请教计算的方法。牛顿立即在纸堆中翻寻，可是他找不到计算的草稿，他答应重新计算并以后寄给哈雷。

哈雷等了三个月，终于得到了一本超过他所期望的文稿，名为《绕转物体的研究》，这就是后来《自然哲学的数学原理》的初稿。

（2）《自然哲学的数学原理》的意义和地位

《自然哲学的数学原理》这本书最后于1687年才出版。但是在发行之后的10年间，第一版的销售量不超过数百套。可是今天，这本书已经发行了不止100版，它的译本几乎涵盖了世界上的每一种文字。这本书的出版像一阵旋风席卷了整个欧洲，受到各种各样的评审。哈雷第一个在皇家学会的《通报》中发表了书评，随后的一年中，欧洲大陆的学术杂志都陆续出现了该书的书评，这些评论终于确立了牛顿的国际声誉。

《自然哲学的数学原理》的贡献不仅使牛顿闻名世界，也使世人对宇宙的认识有了革命性的转变，还对科学产生了革命性的影响，同时这本书也打开了工业革命的大门。牛顿除了解决潮汐如何产生、彗星如何划越天空等困惑人类的古老问题之外，还引入了较新的观念，为力学和动力学的研究奠定了基础，在其后的一个世纪内，创造了持久且真实的人类文明演变。若没有这样的了解，大自然的各种力就不会得到利用，而这正是工业革命的成就：它将人类从黑暗中，从对大自然的奇想中，拉往科技时代，拉向操控宇宙之力的时代。

第三目“勤奋的探索和科学的研究方法”

教材主要从牛顿的勤奋专注和科学的研究方法这两个方面来分析牛顿取得伟大成就的原因。

（1）牛顿的勤奋探索

牛顿对科学研究的专注程度已经达到狂热的地步，让他身边的人都感到吃惊。有一个叫汉弗莱的人，曾经做过牛顿的助手，协助牛顿抄写文件和做实验。他对牛顿写《自然哲学的数学原理》那段时间的生活做了这样的描述：“他对自己的研究是如此专注和认真，以致他吃得很少，时常根本忘记了要吃东西 他难得上床睡觉，直到清晨两三点、甚至五六点才就寝，也仅睡四五个小时而已。特别是春天和秋天，他经常把自己留在实验室里，有一回长达六星期之久。炉火日夜不停地燃烧，他整夜地坐守在火炉旁，然后下一夜轮到我看守，如此轮替直到他完成化学实验为止。”

由于牛顿不愿意在完全准备妥当之前透露他的构想，所以他几乎发狂地工作。汉弗莱说：“我从来没有见过他做过任何运动或休闲活动，既不骑马兜风、散步，也不玩滚木球或任何其他运动。他几乎从不离开书房，好像一分钟不做研究就会损失几小时的宝贵光阴。他既努力又认真 他吃得很少，时常还忘记

了吃东西，我有时到他的书房发现他完全没有碰过食物。当我提醒他时，他会说‘我没吃吗？’。然后走到旁边，站着吃一两口就算吃过饭了。我可以说，我从未看过他坐在餐桌旁吃饭。”

建议教师可以让学生自己查找资料，相互交流。如果教师能够让学生自己来讲述牛顿勤奋探索的情况，教学效果则更好。同时建议教师通过“学思之窗”来引导学生认识牛顿谦虚谨慎的治学态度。

（2）科学的研究方法

中世纪时候，靠推理得出结论的研究方法十分盛行。到文艺复兴时代，意大利科学家伽利略自制望远镜观察天体，发现了许多以前无法用肉眼看到的星体，为科学发展做出了很大的贡献。他注重实验和实践，创立了实验和论证相结合的研究方法，被视为近代实验科学的奠基人。培根提出了唯物主义的科学研究方法。牛顿就是在前人方法的基础上从事科学研究的。牛顿的研究方法被后人总结为“归纳—演绎”法，他在实验中得出结论后，还要在进一步的实验中证明自己所得出结论的正确性，这是近代科学研究方法，牛顿是第一个充分使用这种方法的人。正因为牛顿这种严谨的科学态度和勤奋的探索精神相结合，使牛顿做出了科学史上的伟大发现，并为近代科学的发展奠定了基础。

建议教师引导学生了解比较牛顿与其前的科学研究方法，使学生认识到科学方法、科学态度、科学精神在学习、研究工作中的重要性。

最后小结，通过介绍牛顿的纪念碑来总结牛顿一生的工作和成就。1727年4月4日，牛顿下葬于西敏寺。四年之后，后人为牛顿修建了一座巴洛克式的纪念碑，表现出牛顿一生多方面的工作和成就。景观中有一群小天使，其中一个玩弄棱镜，一个玩弄望远镜，还有一个手拿一枚新铸的金币（牛顿曾经负责造币厂的工作）。牛顿的浮雕是整个纪念碑的主体，被一群小天使围绕着，他严肃地倚着四本成垒的书，书名是《光学》和《原理》、《神学》、《年代学》。

三、教学设计与案例

1．教学设计

本课主要介绍牛顿一生中最主要的科学成就和取得这些成就的原因。这样的教学内容决定了其历史思维的力度不是很大，比较容易理解。教师要思考的是如何使学生从伟大历史人物身上感受到他们的伟大品质，如牛顿的勤奋、专注、刻苦的探索精神，实事求是、科学的探索方法，谦虚、谨慎的治学态度等等。启迪学生的心智，感悟历史，这也是历史教学的重要目标。学生可以在历史中寻找先人的智慧财富，可以体验和领略历史人物的风采，可以体会真实深刻的人生。因此教师要从这个角度去进行教学设计，尽量让学生自己去走近牛顿，走近历史，从而使牛顿和历史走进学生的心灵。

关于牛顿早期的科学发明和创造，可以讲述牛顿小时候的日常生活和学习，甚至可以讲讲他在中学时代的打架，使学生感受到牛顿虽然是一位伟大的科学家，但他也是一个真实的生活中的人物。这样就使历史人物形象鲜活起来，贴近学生，贴近生活。

关于牛顿发现万有引力定律，可以介绍那个时代的伟大人物为牛顿的发现打下的基础，使学生认识到科学的发展是经历了一辈又一辈的科学家不断努力和不断创新的结果。使学生感悟到人类文明的进程是人

类付出巨大努力的结果。牛顿发现万有引力的过程，是偶然性与必然性的统一。可以设计这样一个问题：“牛顿凝视苹果落下的瞬间一直被看成是引发牛顿导引出万有引力灵感的一刻。但是也有人认为这不过是后人出于特殊的原因，捏造的一个故事而已。你认为苹果坠落的故事是真实的吗？”

关于勤奋的探索和科学的研究方法，教师可以讲述牛顿在进行科学研究时的专注来表现他的勤奋，可以介绍“归纳—演绎”法这一科学方法的产生。

最后小结牛顿的伟大成就。牛顿是英国物理学家、天文学家和数学家。在天文学方面，1672年牛顿创制了反射望远镜；他还解释了潮汐的现象，指出潮汐的大小不但同朔望月有关，而且与太阳的引力也有关系；另外，牛顿从理论上推测出地球不是球体，而是两极稍扁、赤道略鼓，并由此说明了岁差现象等。在物理学上，牛顿基于伽利略、开普勒等人的工作，创立了三个运动基本定律和万有引力定律，并建立了经典力学的理论体系。在数学上，牛顿提出了“牛顿二项式定理”，并和莱布尼茨几乎同时创立了微积分学。在光学方面，牛顿发现白色日光由不同颜色的光构成，并制成“牛顿色盘”；关于光的本性，牛顿创立了光的“微粒说”。在牛顿的著作《自然哲学的数学原理》中，他用数学解释了哥白尼的日心说和天体运动的现象。所以牛顿被称为“近代科学之父”。

2．教学案例

教师可以采取小组学习的方法，分组了解牛顿在不同历史时期的学习、生活和成就，然后在课堂上进行交流。

一、准备工作：全班同学分成四个小组，分别查找有关下列四个问题的资料：第一，牛顿的童年时代和中学时代；第二，牛顿的大学时代；第三，牛顿发现万有引力定理；第四，牛顿晚年的研究。

二、课堂交流：经过准备，学生在课堂上交流自己查找的有关牛顿的资料。共同概括出牛顿一生的主要成就。

三、总结讨论：牛顿为什么能够做出这些重大研究？

四、问题解答

【学思之窗】

1．你怎样看待牛顿的学习方法？

解题关键：牛顿的学习方法是科学的。

思路引领：牛顿通过做实验、记笔记，积累知识；对知识进行分类整理。

答案提示：牛顿的学习方法是科学的。通过做实验、记笔记，积累数据，并能够把知识进行分类整理。这样的学习方法与当时的“归纳—演绎”科学研究方法是一致的。

2．你认为哪一种说法更可信？为什么？

解题关键：科学理论的发现是建立在艰苦的探索之上的。

思路引领：牛顿发现万有引力定律，不是一时的灵感顿悟，而是长期深入思考的结果。

答案提示：后一种说法更可信。牛顿不是在苹果坠落的那一刻才开始思考重力问题的。在大学里，牛顿已深入了解了前人在天文学、数学等领域的研究成果，并进行了深入思考。当牛顿得出万有引力的结论之后仍继续思考，直至1687年发表《自然哲学的数学原理》，才完整地提出万有引力定理。

3．牛顿以怎样的态度看待他取得的成就？在他身上我们能够学到科学家的哪些优秀品质？

解题关键：认真体会牛顿的名言。

思路引领：牛顿的态度是非常谦虚的。

答案提示：牛顿对待自己取得的成绩是很谦虚的。我们可以从科学家身上学到虚怀若谷的谦虚态度和严谨的科学研究态度，还有勤奋的探索精神等。

【探究学习总结】

（一）本课测评

1．牛顿一生有哪些重大理论发现？这些理论发现的贡献是什么？

解题关键：也就是牛顿为什么被称为“近代科学之父”，因为牛顿一生的重大理论发现很多。 思路引领：可以从天文、数学、光学等方面进行概括。

答案提示：牛顿是英国物理学家、天文学家和数学家。在天文学方面，他解释了潮汐现象，指出潮汐的大小不但同朔望月有关，而且与太阳的引力也有关系；牛顿从理论上推测出地球不是球体，而是两极稍扁、赤道略鼓，并由此说明了岁差现象等；在物理学上，牛顿基于伽利略、开普勒等人的工作，建立了三条运动基本定律和万有引力定律，并建立了经典力学的理论体系；在数学上，牛顿创立了“牛顿二项式定理”，并和莱布尼茨几乎同时创立了微积分学；在光学方面，牛顿发现白色日光由不同颜色的光构成，并制成“牛顿色盘”；关于光的本性，牛顿创立了光的“微粒说”。在牛顿的著作《自然哲学的数学原理》中，他用数学解释了哥白尼的日心说和天体运动的现象。牛顿力学体系的建立是近代科学形成的标志，是人类认识史上对自然规律的第一次概括和总结。

2．牛顿为什么能够做出这些重大发现？

解题关键：牛顿取得这些成就，是与牛顿自身努力和当时的社会发展分不开的。

思路引领：前人的研究成果、牛顿的努力和创新。

答案提示：在吸收了前人研究成果的基础上，再加上牛顿勤奋的探索和科学的研究方法。

（二）学习延伸

1．探究活动（略）

2．阅读与思考

结合牛顿的科学成就与研究方法，分析他这句话的含义。

解题关键：前人的研究成果，牛顿的努力和创新。

思路引领：牛顿科学成就的取得与研究方法的采用，都是在前人的基础上加以发展创新的结果。 答案提示：牛顿在大学里，就已经了解到哥白尼、伽利略和开普勒在天文学方面的研究成果，他相信开普勒提出的行星按一定轨道运行的理论。在此基础上，牛顿进一步思考，行星为什么会这样运动？最终牛顿得出万有引力定理。牛顿所采用的“归纳—演绎”方法也是建立在伽利略、培根等科学家的研究基础上，他是第一个充分使用这种方法的人。所以牛顿把前人都看作自己的朋友，但又不盲目地迷信前人，而是不断发展、创新，所以牛顿说“我更好的朋友是真理”。

五、资料与注释

1．原始资料

坠落的苹果

牛顿发现万有引力的灵感从何而来，一直为人们所津津乐道的故事，就是苹果落地。这个故事已经流传了300多年，实际上，没有对前人已有知识的掌握，没有充分的科学思考，牛顿不可能一下子发现这个道理。关于苹果落地，有几种说法：

首先是一位名叫斯蒂克利的传记作者，他在牛顿去世前一年访问了牛顿，在牛顿最后定居的肯辛顿，两人在花园中散步时，牛顿向斯蒂克利指出，正是在这个地方，他第一次觉悟到重力的道理。斯蒂克利回忆道：“在几株苹果树阴之下，只他和我两人，谈论了许多事情，他告诉我，当年正是在与此相同的情景下，重力的观念进入了他的脑中。那一刻刚好落下了一个苹果，他开始陷入冥思。”

另一个故事是伏尔泰写的《牛顿哲学原理》，书中写道：“根据牛顿的外甥女康杜伊特太太所说，牛顿回到乡下之后，看到园子里的果子落满地上。就在1666年的某一天，他陷入沉思之时，忽然想到物体掉落地面所走的是一条直线，如果这条线一直延长下去，它几乎会通过地球中心。”伏尔泰本人并没有见到牛顿，这应是他从牛顿的妹妹那里听到的。

还有一桩当年的传说，是由彭伯顿传下来的。他是《自然哲学的数学原理》第三版的主编，他叙述那个情景：“导致他写出《自然哲学的数学原理》的最早思想启发，是在1666年逃避大瘟疫、从剑桥回家之后产生的。他时常单独坐在园子里，并陷入了对重力的沉思。”

──［英］迈克尔·怀特著陈可岗译：《最后的炼金术士—牛顿传》，中信出版社辽宁教育出版社2004年版，第111-112页

牛顿的治学态度

牛顿的勤奋与严谨，是他能够做出重大发现的因素之一。这里仅举几例。

1664年夏天至秋天，牛顿做了许多光学实验，但是，他对光的实验从狂热到失去自制，短短几天之内，就做了两个几乎使他失明的实验。

第一个近乎造成悲剧的，是他直视太阳过久。牛顿在1691年给他的哲学家朋友洛克写的信中回忆20多年前的情景：“我用右眼透过玻璃片看太阳，经过很短的时间之后，转过身来面向房间里的黑暗角落，张大眼睛来观察暂留印象。起先看到一圈圈有颜色的光环，接着光环逐渐减弱，最后终于消失 这样继续试了几小时之后，我的眼睛竟无法看见光亮的物体了 眼前总是有一个光亮的大太阳，使我既不能读又不能写，只好把自己关在黑暗的房间里。三天之后视力才恢复过来，那三天时间我用尽一切方法以逃出太阳的幻影。”

牛顿所回忆的第二个实验更危险：

“我用一把钻子顶住眼眶骨头和眼睛之间，尽可能地接近眼球处，将钻子的尖端挤压眼球的后面，使我的眼睛突出，就会看到好一些白的、黑的和有颜色的光环。当我不断地用钻尖搓揉眼球时，这些光环更加显著；但是，如果眼球和钻尖都停止不动，而眼球仍然被紧紧压住，光环会逐渐变弱而最终消失。在我再度搓动眼球或钻尖时，光环即重新出现。”

作者评价道：“年轻与热情奉献是一回事，但用钻尖来顶住眼球，大多数人都会认为是做得太过火了。这样做的结果搞不好会永久失明的，那么在牛顿几乎要展开其科学生涯之前，他就先将自己毁掉了。” ──［英］迈克尔·怀特著陈可岗译：《最后的炼金术士—牛顿传》，中信出版社辽宁教育出版社2004年版，第72-73页

2．课文注释

万有引力定律

这是17世纪牛顿在研究天体运动的规律时所发现的规律，后来被称做万有引力定律。这个定律说的是：两个物体之间的万有引力和它们每一个的质量都成正比，和它们之间的距离的平方成反比。这个定律可用下面的公式表示：

式中m1和m2分别表示两物体的质量，以千克为单位；r表示它们之间的距离，以米为单位；F表示它们之间万有引力的大小，以牛为单位。G是一个比例常数，叫万有引力常数，它的数值是G=0．667×10-10牛·米2/千克2。

“万有引力”一词的来历：

牛顿从1665年到1685年，花了整整20年的漫长时间，才沿着离心力—向心力—重力—万有引力概念的演化顺序，终于提出“万有引力”这个概念和词汇。这些概念的相继转变和证明，在科学研究的道路上是来之不易的，没有一个个层次的分析概括，没有观念上质的不断飞跃，是不可能的。牛顿是在《原理》一书第三卷中首次使用这个词的。至于“万有引力定律”一词的来源，说法不一。但拉普拉斯在1796年发表的《宇宙体系论》中，曾经提到“万有引力原理”，这可能是最早的说法之一。

牛顿发现万有引力定律的时间应在1685年春。

──阎康年著：《牛顿的科学发现与科学思想》，湖南教育出版社1989年版第218页

《自然哲学中的数学原理》

《自然哲学中的数学原理》通常简称《原理》。在结构上，它是以哈雷写的并由理查森译成英文的颂诗开始，接着是牛顿为第一、二、三版的序言和科茨为第二版写的长序。然后是定义和运动定理或定律。定义有8个，它们是关于质量、动量、惯性、外加力、向心力、向心力的绝对量、向心力的加速度量和向心力的动量。并有一个关于绝对的和相对的时间、空间、处所和运动的定义及其说明的注释。《运动定理或定律》中包括3个运动定律和6个系及一个注释。再后，即正文，由第一、二、三卷组成。第一卷主要是理论基础，有数学和万有引力定律。第二卷介绍流体力学的开创性研究。第三卷介绍天体力学和宇宙系统的开拓性研究。

《原理》共有三个拉丁文版，第一版由牛顿本人写作，由哈雷负责审定、印刷。第二版发表于1713年，由科茨负责校订、印刷并写了很长的序。第三版发表于1726年，由彭伯顿负责校订和印刷。它已经被译成荷兰文、英文、法文、德文、意大利文、日文、罗马尼亚文、俄文、瑞典文和中文（1935年）等文字。

归纳法与牛顿的科学研究方法

归纳法是17世纪英国哲学家培根提出的科学研究方法。培根（1561—1626年）的主要著作有《论学术的进展》、《新工具》、《新大西岛》等，其著作除了政论和道德哲学之外，还广泛地探讨科学研究的方法。他在科学上最重要的贡献是首先将现代称之为实验方法或归纳法的逻辑方法整理成型。

在对笛卡儿等人的科学活动进行研究中，培根反对科学概念是纯粹由哲学推论出来的说法，也不满意笛卡儿未将亚里士多德的理论完全抛弃，而去接受他以演绎法所得到的科学观点。他思考用一种由宗教来推动，以严格的逻辑法则作指导，最后用实验来证实的科学，最终目的是获得一种完全的了解和实际的应用。培根的科学方法奠定了科学革命的基础，使以后世世代代的自然科学家，包括牛顿在内，得以受惠。 牛顿在科学研究中和写作中所用的方法是不同的。在科学研究中，他关心的是认识客观事物的规律，从实验和现象的观察开始，然后通过分析、比较、模拟、因果联系、抽象和数学推理等方法，进行归纳，探索事物的本质和普遍规律，从而上升为理论。在写作中，他往往采用欧氏几何的公理系统，即演绎法，以便使在实验和观察基础上，通过归纳所揭示的事物本质、属性，从而提出的定理或定律，能够应用到各种现象上，以便得到验证和应用。如果发现了例外，再对原理进行修改，以扩大其普遍性。

在牛顿行之有效的科学方法中，还有沉思默想和敏锐的直觉。他对科学研究的兴趣和强烈爱好，对于科学真理的顽强追求，是他献身于科学事业的精神动力。这种动力与他内向孤僻的性格相结合，使他在各种争论、烦扰和社会动乱条件下，能够沉思默想和刻苦钻研。同时，广博而精深的知识，做过并汇集了大量的实验和观测结果，熟练地运用逻辑推理与数学分析的能力，加上自身的天赋和长期积累的科研经验，使他能够凭直觉做出正确的判断。科学研究上的严谨和求实也使牛顿的研究成果更加可信。

3．学术观点

20世纪前期科学家、思想家对牛顿的评价

爱因斯坦在1927年为纪念牛顿逝世200周年所写的文章中说：

“我觉得有必要在这样的时刻来纪念这位杰出的天才，在他以前和以后，都还没有人能像他那样地决定着西方的思想、研究和实践的方向。他不仅作为某些关键性方法的发明者来说是杰出的，而且他在善于运用他那时的经验材料上也是独特的，同时还对于数学和物理学的详细证明方法有惊人的创造才能。由于这些理由，他应当受到我们最深挚的尊敬。”

──许良英等编译：《爱因斯坦文集》第一卷，商务印书馆1976年版，第292页

英国思想家罗素也说过一段在史学理论上曾引起争议的话：

“我相信卓越的个人对于创造历史贡献甚多，我认为，如果17世纪中100名最优秀的科学家在幼年时就死去的话，整个工业社会里的普通人的生活就会与现在的情况完全不同。”“17世纪，尤其是伽利略、笛卡儿、莱布尼茨和牛顿，在对于我们理解自然方面，要比除了古希腊人之外的任何其他人，都做出了更突出的而又惊人的贡献。确实是，当时数学物理学中所使用的某些概念，并不完全具有当时所赋给它们的那种有效性。并且确实是，最近物理学的进步往往需要与17世纪那些概念全然不同的新概念。事实上，它们的概念并不是通向自然界的一切奥秘的入门，但它们却是通向自然界的许多奥秘的入门。”

──［英］罗素著何兆武、肖巍、张文杰译：《论历史》，广西师范大学出版社2001年版，第67、76页

20世纪后期一位科学家的评价

英国理论物理学家，剑桥大学天文物理学教授，后担任卢卡斯数学教授的史蒂芬·霍金在《时间简史》一书中，对牛顿的评价是：

艾萨克·牛顿不是一个讨人喜欢的人物。他和其他院士的关系声名狼藉。他晚年的大部分时间都是在激烈的争吵纠纷中度过。随着那部肯定是物理学有史以来最有影响的书──《数学原理》的出版，牛顿很快就成为名重一时的人物。他被任命为皇家学会主席，并成为第一个被授予爵士的科学家。

牛顿不久就与皇家天文学家约翰·夫莱姆斯蒂德发生冲突。冲突最后，牛顿在后来的《原理》版本中系统地删除所有来自夫莱姆斯蒂德的引证。

他和德国哲学家高特夫瑞德·莱布尼茨之间发生了更严重的争吵。莱布尼茨和牛顿各自独立地发展了叫做微积分的数学分支，它是大部分近代物理的基础。虽然现在我们知道，牛顿发现微积分要比莱布尼茨早若干年，可是他很晚才出版他的著作。随着关于谁是第一个发现者的严重争吵的发生，科学家们激烈地为双方作辩护。

在这两次争吵期间，牛顿已经离开剑桥和学术。在剑桥他曾积极从事反天主教运动，后来在议会中也很活跃，最终作为报酬，他得到皇家造币厂厂长的肥缺。在这里，他以社会上更能接受的方式，施展他那狡狯和刻薄的能耐，成功地导演了一场反对伪币的重大战役，甚至将几个人送上了绞刑架。

──［英］史蒂芬·霍金著许明贤、吴忠超译《时间简史—从大爆炸到黑洞》，湖南科学技术出版社1992年版，第161-162页

4．插图说明

（略）

5．参考资料目录

［英］迈克尔·怀特著陈可岗译：《最后的炼金术士—牛顿传》，中信出版社辽宁教育出版社2004年版。

阎康年著：《牛顿的科学发现与科学思想》，湖南教育出版社1989年版。

［英］伊萨克·牛顿著王克迪译袁江洋校：《自然哲学之数学原理宇宙体系》，武汉出版社1992年版。

张三慧：《牛顿定律古今谈》，北京出版社1979年版。

舒畅主编：《世界十大科学家》，长春出版社1993年版。

［英］史蒂芬·霍金著许明贤、吴忠超译：《时间简史—从大爆炸到黑洞》湖南科学技术出版社1992年版。

许良英等编译：《爱因斯坦文集》第一卷，商务印书馆1976年版。

［英］罗素著何兆武、肖巍、张文杰译：《论历史》，广西师范大学出版社2001年版。