牛顿对经典力学的贡献

【摘要】 艾萨克·牛顿（1642-1727）是一位家喻户晓的物理学家和数学家，为自然科学做了巨大的贡献。他的巨著《自然哲学的数学原理》是经典力学理论的重要组成部分，是人类发展史上一块重要的里程碑。本文从他所提出的牛顿运动定律和万有引力定律来讨论他对经典力学的贡献。

【关键词】 牛顿 经典力学 牛顿运动定律 万有引力定律

导言

   经典力学是一门古老的学科。从古希腊哲学家亚里士多德起，人们就开始对物体的运动进行研究。其理论体系可划分为两个时期，矢量力学和分析力学。伽利略在建立矢量力学方便做出了做出了开创性的、巨大的贡献，其中最重要的就是他以牢固可靠的科学实验建立了经典力学理论。他把一颗小球放到斜坡上去做定量试验，由此得出了正确的加速运动理论。而牛顿则继续研究伽利略所开创的科学理论，总结并发展出了牛顿运动定律和万有引力定律。在牛顿所处的年代，“日心说”理论被哥白尼率先提出，在第谷的观测结果之上，开普勒归纳出了关于行星运动规律的开普勒定律，力和加速度还被伽利略定义，并提出了和惯性以及自由落体相关的物理规律。只不过，在那时每一个物理和物理定律之间是彼此独立的。牛顿则“站在这些伟人的肩头”，全面地观测和研究了星球和地球上的物体的运动，并用数学的方法，把它变成了一个完整的系统，并且能够表达因果逻辑性。就像牛顿所说的，“自然哲学应该被称为“物理”，其目标是找到自然界的构造和行为，并尽可能的将其归纳成一种普遍的规律和规律，通过观察和试验来确定其规律，由此得出其因果关系。”本文主要总结了牛顿对经典力学的主要贡献，包括他所著的《自然哲学的数学原理》（以下简称《原理》）一书和他所提出的牛顿运动定律、万有引力定律。

划时代的巨著——《原理》

   牛顿在前人工作的基础上写出了《原理》这本巨著并于1687年出版。书名中的“自然哲学”是因为在那个年代人们将物理学称之为自然哲学，而他所探讨的经典力学又是物理学的重要组成部分之一。使用“数学”一词则是为了强调在力学中严格的数学关系。这本书不是十六世纪和十七世纪科学革命的顶峰，同时也是人类文明进步发展的一个里程碑。这本书不但概括并且推进了牛顿及其之前的所有重大的物理成就，同时也成为以后的科学研究的典范，是天文学、数学和力学历史发展的产物与结晶。同时，他还继承并发展了前人的科学方法——“归纳——演绎”法。该书的出版，标志着经典力学体系的建立，在科学史上建立了一个不朽的丰碑。

   《原理》一书主要分成两个部分。在第一部分中，牛顿首先阐述了几个重要的概念，如：质量、外力、向心力、惯性、时间、空间等等，并在此基础上给出了牛顿三大运动定律，并以此为基础提出了如力的合成与分解、动量守恒、质心运动等定理。在这一部分中，牛顿的第二定律和第三定律都进行了适当的科学与数学处理。这和以前试图解释类似现象的情况不大一样，那些实验要么不完整，要么不正确，要么没有精确的数学表达式。但是牛顿不一样，他给出了一个较为完整的表达式。牛顿还展示了动量和角动量守恒定律是如何工作的。这一部分虽然内容并不多，但是是整本书的根基。第二部分讲述的内容是对这些定理定律的应用。他使用演绎推理得到了非常重要的万有引力定律；对阻尼运动、流体动力学和流体静力学进行了论述；根据已经发现的规律，对宇宙系统进行了阐释，并且分析了观测到的天体数据，比如卫星围绕行星，行星围绕太阳，彗星轨道的确定等内容，同时还对地面上物体的自由落体和抛体运动进行观测与分析，第一次把地表的运动与天体的运动结合在一起。牛顿运动定律和万有引力定律的结合为经典力学提供了最完整、最准确的描述，并且他证明了这些规律对天体和日常物体都适用。

   虽然这本书还有许多局限性，比如引入了“绝对时间”、“绝对空间”等概念，并且只适用于宏观低速世界，但它为物理学的发展奠定了基础，是一部伟大的科学著作。

牛顿三大运动定律

Lex I: Corpus omne perseverare in statu suo quiescendi vel movendi uniformiter in directum, nisi quatenus a viribus impressis cogitur statum illum mutare.

定律一 每一个物体都保持它自身的静止的或者一直向前均匀地运动的状态，除非有外加的力迫使它改变它自身的状态为止。

Lex II: Mutationem motus proportionalem esse vi motrici impressae, et fieri secundum lineam rectam qua vis illa imprimitur.

定律二 运动的改变与外加的引起运动的力成比例，并且发生在沿着那个力被施加的直线上。

Lex III: Actioni contrariam semper et æqualem esse reactionem: sive corporum duorum actiones in se mutuo semper esse æquales et in partes contrarias dirigi.

定律三 对每个作用存在总是相反的且相等的与反作用：或者两个物体彼此的相互作用总是相等的，并且指向对方。

   牛顿三大运动定律现在已经成为使科学家们普遍接受的宏观自然法则，并以其为推论的依据。

   第一定律是基于伽利略、笛卡尔两位科学家对惯性运动的实验得来的。伽利略通过斜面实验，若一个小球从斜面上的任意一个地方滚下来，在理想条件之下，它就可以永不停息地滚动下去。随后，笛卡尔对这个理想实验进行了进一步的研究，把“永不停息的滚动”发展成了在空间内的直线运动。基于以上研究，牛顿得出了牛顿第一定律，提出惯性是物体原有的性质。对当今的物理学家来讲，它几乎成为了力学的基础。

   第二定律是在定义了质量、速度和加速度的概念后，对伽利略动力学思想的发展。第二定律与第一定律紧密相连。第一定律指出，物体在静止状态下或在直线上以恒定的速度运动，没有外力或合力为零，而第二定律指出，外力只会改变物体的运动状态。这推翻了以前认为要维持一个物体的运动状态需要力的错误观念。牛顿关于第二定律的陈述表明，他对第二定律的原始说法并不是关于力和加速度的关系，而是关于力和“运动的改变”之间的关系。在这里所说的“运动的改变”，其实就是动量跟着时间的推移而变化，而加速度却是速度的变化率。牛顿第二定律在牛顿运动定律中起着重要作用，同时有着广泛的应用范围。一个力无论是电磁力还是机械力，一个物体的质量无论是核粒子质量还是星体质量，并且无论加速度的是小是大，牛顿第二定律均成立。

   经过多次的证明，“两个物体在正面相撞时，都会发生相同的移动，因此，它们的动作和反动都是一样的。”从这一点可以看出，第三定律建立在碰撞现象的基础上，它的量化结果是由碰撞现象的运动量相等得到的。

   第三定律全面地总结了力的概念，并指出每个力都有它自己的反作用力。碰撞是第三定律所依据的基本现象。他的碰撞实验假设空气阻力已被排除，通过反复的论证，得出当“两个物体在正面相撞时，他们会向自己运动的相反方向产生一个相同大小的运动的变化，所以他们的作用与反作用总是一样的”。由此可以看出，碰撞现象是牛顿第三定律提出的基础，它的量化结果是因为相等的碰撞现象运动量中得出结论的。换句话说，因为两个物体在相互碰之后，他们各自动量的改变量是一样的，又因为所用的时间长度是一样的，因此得到结论，作用力与反作用力相等。第三定律的提出，让人们更好地理解了物体之间的相互作用，揭示了自然的对立统一的内部构造。

   以上三条看起来很简单的定律，就是整个动力学的基本原理，同时也是牛顿关于物体运动规律的最伟大的发现。

万有引力定律

任意两个质点由通过连心线方向上的力相互吸引。该吸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。

   万有引力定律是一项重大的历史性发现。它奠定了天文运动的科学基础，利用万有引力理论，人们发现了海王星、冥王星等星体，解释了了许多诸如哈雷彗星等地面与天体现象。同时它还揭示了物体之间相互作用的最基本形式之一——引力。他根据先前的引力平方反比定理，将力与物体质量联系起来，运用反作用定律，推广出了万有引力定律。这个定律已被无数次的实验证明，是世界公认的科学定律，是最重要的定律之一。

总结

   经典力学系统以绝对空间、绝对时间、质量、力为基本要素，以三大运动法则为中心，以重力法则为整体，以微积分的形式描述物体的运动规律。他的逻辑严密，结构严密，通过观察和试验，形成了一套完整的科学体系。经典力学的建立，为整个自然科学的发展打下了坚实的基础，确立了力学的基本概念和基本规律，使力学成为一个系统化、理论化的知识体系，并逐步走向成熟和完善。它使人们对物体运动状态的描述从变化的结果提高到对变化过程的认识；把天上和地面上的运动统一起来，使人对自然的认识发生了第一次大综合；让人们对机械运动的理解由运动学发展到了动力学。经典力学不但描绘了物体的运动，还揭示了其产生的原因，从而让人们理解物体是如何移动的，并且解释了它们为何移动，从而加深了对自然的理解。但是它也存在着固有的局限性：只在宏观低速条件下有效，一旦有关微观粒子或者关于接近光速运动的物体所产生的现象，经典力学便无法进行有效的、合理的解释。尽管微观世界的物体的运动都是按照量子力学来解释的，描述高速运动的物体都是运用相对论来解决的，但是经典力学还是可以解释生活当中的绝大部分日常现象，同时也没有因为相对论和量子力学的提出，经典力学从而推出历史的舞台。现如今，人造卫星、宇宙航行等等都与经典力学密不可分。古老的经典力学在新时代，又一次焕发出勃勃生机。

   牛顿是一位家喻户晓的数学家、物理学家和天文学家。他集合了十六世纪和十七世纪世界上所有科学领域的先驱者的成就，以《原理》一书出书作为标志，使用一个统一的理论解释所有物体的运动状态和运动规律，对在宏观低速条件下物体的运动如何运动给出了正确清晰的解释。这是人类有史以来首次在自然科学领域的大综合。此外，牛顿在数学上所创立的微分和微分方程，也为以后的自然科学发展提供了重要的工具，从而开启了物理学和数学的新时代。当然，牛顿虽然在前期做出了巨大的贡献，但到了后来，他将这些难以解释的现象都归类到了神学领域，并用了他的后半生时间，完成了一百五十万字的神学作品。然而，牛顿所建立的经典力学提议以及他进行研究的方法推动了十八世纪和十九世纪物理学飞速的发展，帮助人们更好地进行自然科学研究，直到量子力学和相对论的出现与建立。他的科学成就与观念不但极大地促进了当时的学术界和思想界，也在某种程度上改变了社会，深刻地影响了近代科学技术的发展和社会的发展，让近代社会有了极大的进步，为全世界全人类的发展做出了杰出的贡献。

参考文献

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