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牛顿最重要的物理学贡献,除了牛顿三大运动定律以外,就是万有引力定律了。万有引力定理告诉我们,任何两个有质量的物理之间都存在相互吸引的力。这个力就是万有引力。万有引力的大小正比于二者的质量的乘积,反比与二者距离的平方,方向是沿着二者连线的方向。
万有引力的发现过程以及论证过程非常有趣。我们经常听到的故事是牛顿因为苹果掉落在头上受到了启发,从而提出了万有引力定律。但是这个故事是牛顿自诉的,其真假我们不得而知。当时并非只有牛顿一人提出万有引力定理,英国科学家胡克也表示自己提出了万有引力定律。为了争夺这一荣誉,二者相互口诛笔伐,也许牛顿只是为了表明,自己从年轻时代就已有此想法,才杜撰了这个故事。
我们假设牛顿的这个故事是真的。但仅仅是苹果掉落头顶这个现象是不够的,而是下一个问题:既然苹果会掉落到地球表面,为什么月球不会掉落到地球呢?牛顿给出的答案是因为月球在围绕地球公转。月球围绕地球公转近似于一个圆周运动。如果要维持这种圆周运动,必须要给月球一个围绕地球公转的向心力。譬如,我们可以用一根绳子绑住一个重物,然后把绳子挥舞起来,让重物围绕我们做圆周运动。但很,明显,并没有任何东西绑住月球围绕地球做圆周运动。因此,月球必会受到来自地球的万有引力作为其围绕地球做圆周运动的向心力。
知道了万有引力的存在,还要算出它的具体数学形式。首先万有引力正比于相互吸引的两个物体质量的乘积。这个结论可以从伽利略的实验结果推理出来。在同一高度释放同样大小的铁球和木球,这两个球应该同时落地。这说明铁球和木球在下落的过程中的加速度完全相同,而很明显铁球受到地球的重力要比木球受到的重力,因为我们可以简单地验证,同样大小的铁球比木球重。根据牛顿第一定律,物体的加速度与它们质量无关,就说明作用在它们身上的重力,必然正比于他们的质量,这样才能做到用重力除以质量的值与质量无关。也就是,地球施加在地球和木球身上的万有引力,是分别正比于铁球和木球的质量的。再引入牛顿第三定律,地球作用引力在铁球和 木球上,木球和铁球同时也会作用引力在地球上,并且大小相等、方向相反。既然地球作用在铁球和木球上的引力分别正比于它们的质量,反过来,铁球和木球作用在地球上的万有引力,也应该正比于地球的质量。这是简单的对称性。由此我们得出,两个物体之间的万有引力必同时正比于二者质量,也就是万有引力必正比于二者乘积。
万有引力的另一个规律是,二者之间的万有引力,其大小反比与二者距离的平方。这个结论不难推测。牛顿年代,已经知道月球和地球的距离大约是地球半径的60倍。这样一来,根据月球围绕地球公转的周期,我们便可以算出月球围绕地球公转的加速度,再与地球表面的重力加速度进行比较,大约是3600倍的关系。3600是60的平方,由此便能推测出引力与距离平方反比关系。
除此之外,在牛顿之前,德国天文学家开普勒已经总结了开普勒三定律。其中开普勒第一定律说的是,地球围绕太阳运动的轨道是个椭圆,太阳处在椭圆的焦点处。而只有当万有引力反比于二者距离的平方时,才能推算出,地球的轨道是个椭圆,且太阳还处在椭圆的焦点上。
万有引力是人类 历史 上最重要的科学发现之一,虽然它的精确度后来被爱因斯坦的广义相对论超越,但是到今天,它的应用依然十分广泛。只要计算涉及的时空尺度不要太大,万有引力在 历史 上也帮助科学家做出了许多重要的发现。由前面的推理过程我们会发现,牛顿能发现万有引力并非偶然,也并非靠一己之力,在牛顿之前,有很多前辈大师,如伽利略和开普勒的研究成果都是万有引力被发现的先决条件。正应了牛顿那句名言:我不过是站在了巨人的肩膀上,所以看得更远。
牛顿观察什么发明了万有引力?
我们都听过一个故事,牛顿在一棵树下思考,突然一棵苹果落下砸到牛顿头上,于是牛顿灵感闪现,悟到了万有引力公式。这个故事其实有夸大成分,只是为了赞扬灵感的重要性。其实牛顿发现万有引力并非这么简单的灵感闪现,而是一个长期思考,反复实验求证的结果。
这就要回到当时牛顿时代物理学的发展情况,当时的时代,物理学已经崭露头角,人们已经渐渐发现直觉有时并非真理。比如两个物体同时从空中落下,肯定铁球下落速度比羽毛快,于是我们得出结论:重的物体会先落地。但是经过反复的物理学探索,最后得出结论:所有的物体下落速度一样快,加速度都是g(也就是重力加速度),羽毛之所以下落慢,是因为空气浮力的影响。
再比如我现在用力推一个小推车,小推车在道路上前进,但是我手放开小推车,小推车就会慢慢降低速度最后静止,于是直觉告诉我们,如果没有力作用于物体,物体最终一定会静止。但是经过科学家反复实验后发现,原来物体运动未必需要力的支持,物体在不受力时可以处于静止,也可以处于匀速直线运动状态。
可见直觉已经不再作为物理学规律判断的标准,取而代之的是实验,实验说这个理论正确,那么我们就认为是正确的。经得住实验检测的理论才是真理,这个印象已经刻入人们脑中。那么了解这点以后,我们再看牛顿当时的成果。
首先一个苹果往下掉,其实一般的正常人都应该能想到,也许有个力在拉苹果。所以牛顿绝对不是因为被苹果砸到,才发现万有引力。那么为什么我们一提到万有引力,就想到牛顿呢?因为牛顿之所以伟大,并不是因为发现引力,而是发现“万有”。请注意什么叫“万有”?就是说这个引力是万事万物所共有的一种力,并不是只有地球才拥有的所谓“特殊力”。
其实牛顿时代当时人们发现的力最普遍的就是引力,我们日常生活看到的力,除了相互接触产生的力之外,就只剩引力了。比如我踢球,给予球一个接触的力,这是一种力,然后就是球飞起来走一条弧线,这就是引力作用。但是如果此时你抬头,发现天上有一颗彗星突然闪过,同时又看到月亮在天空,你会感觉,地面上可能会遵循一套物理规律,而天空上面又会是一套不一样的物理规律。
但是牛顿最后发现,原来天空上面的运动,也是和地面遵循的是相同的物理规律,所以牛顿通过研究天文学相关资料和实验,最后总结出了一个天上和地上都适用的引力公式,由于牛顿的这个理论是把天上和地上纳入到一个公式来表达,所以这个公式才叫万有引力。
所以大家明白了吧,牛顿伟大之处在于,一下子把世界上所有的引力都用一个公式表达出来了,物理学就是这样的,能够用一个公式表达的,就绝对不用2个。这也是为什么人们现在还在苦苦追求相对论和量子力学的统一,因为相对论研究的宏观世界规律,量子力学研究微观世界规律,目前两个理论都在各自领域非常吃香,但是却相互矛盾。所以如果某一天你突然发现一个理论,用一个理论来同时解释了宏观和微观,那么你就是下一个牛顿。因为你发现了万有理论,也就是所谓大一统理论。
牛顿观察苹果落地发明了万有引力。年轻的牛顿坐在自己家的花园中,一个苹果落下来砸到他的头上,他忽然灵感乍现,想出了万有引力定律。牛顿又进一步发展他的想法。
他比较了掉落中的苹果与掉落中的月亮,后来牛顿了解到,如果月亮没有朝著地球掉落的话,它将会做直线运动,最后则会脱离绕地轨道,所以他认为月亮正绕著地球而掉落。因此,月亮必定掉落在那条没受到外力时应该会走的下方。
万有引力简介。
万有引力全称为万有引力定律,为物体间相互作用的一条定律,1687年为牛顿所发现。任何物体之间都有相互吸引力,这个力的大小与各个物体的质量成正比例,而与它们之间的距离的平方成反比。
万有引力属于自然科学领域定律,自然界中任何两个物体都是相互吸引的,引力的大小跟这两个物体的质量乘积成正比,跟它们的距离的二次方成反比。
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本文概览:牛顿最重要的物理学贡献,除了牛顿三大运动定律以外,就是万有引力定律了。万有引力定理告诉我们,任何两个有质量的物理之间都存在相互吸引的力。这个力就是万有引力。万有引力的大小正比于...
文章不错《万有引力真的是牛顿发现的吗?》内容很有帮助