高中历史 第六单元 第4课 近代科学之父牛顿教案

1、河北省华北油田三中高中历史人教版选修四第六单元第4课教案课程目标：了解牛顿、爱因斯坦等人成长历程及主要科学成就，认识他们在社会发展中的作用。教学目标：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学过程上帝给了人类三个苹果，三个苹果改变了世界，三个苹果也为人类创造了一个新的世界。第一个苹果诱惑了夏娃，从夏娃摘下苹果哪一刻开始，驱动她的只是人类永恒的好奇心，让人类有了道德和欲望。第二个苹果击中了人类最具智慧的头脑，从牛顿得到这个苹果开始，在人类探索世界的道路上留下了漂亮的一笔，让人类有了科学。第三个苹果被乔布

2、斯掌握，让人们为这个苹果疯狂，已成为当今世界创新的代名词。一、早期科学发明与创造1、童年时代：1642年牛顿出生于英国北部一个名叫乌尔索普的小村庄，在他出生时父亲已去世，3岁时，母亲也改嫁了。他的童年时代是和外婆一起生活的。牛顿从小就爱思考，他善于观察生活，观察生活中人们的活动，再根据人们的需要进行一些发明和创造。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

3、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。自童年时代起，牛顿就从事发明活动。还在五六岁时，他就用木工工具制作了一架木质四轮车，来帮助外婆运送东西。少年时家里没有钟表，牛顿用一个多月的时间，将一块圆石凿成一个日晷仪，用以计时。在格兰萨姆镇一所中学学习期间，他常常到小镇的一座山顶上观察风车，又根据风车的原理，做成了一

4、架用小老鼠的爬动来带动的风车，如今这种风车已成为风靡世界的玩具。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。2、中学时代：除进行发明创造外，中学时代的牛顿已开始进行科学研究与实验。在学校里他的学习成绩优异，中学毕业时，他考进英国历史悠久的剑桥大学。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

5、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

6、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。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

7、源于其刻苦勤奋。3、大学时代：进入大学后，牛顿开始接触到大量的自然科学著作。除了师从著名学者巴罗教授（学习外，他还用大量的时间自学笛卡儿等人的数学著作，这些著作将牛顿引导到当时数学的最前沿一解析几何与微积分方面。大学毕业前，他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。由于家境不很富足，交不起昂贵的学杂费用，牛顿以减费生身份进入剑桥大学。按学校的规定，减费生必须做一些清洁、侍餐、送信等工作，以资补偿，为此，牛顿受到那些贵族和富豪子弟的歧视。但他非常勤奋地学习，在毕业前提出了二项式定理，当时他只有22岁。有人认为，即使牛顿没有别的成就，仅这个定理也足以使他在科学史上留下不朽之名。牛顿的老

8、师巴罗(1630 1677) , 曾任剑桥大学第一任“卢卡斯教授”, 三一学院院长和剑桥大学副校长 ，是当时顶尖的数学家和科学家，剑桥大学的首席教授席位就是专门为他设立的， 但他在39岁时就主动退休了，因为他要将席位让给当时只有28岁的牛顿，以给牛顿更大的发展空间。牛顿果然没有辜负恩师的厚望，大放异彩，成果累累，在谈到自己成功的原因时，他非常感激地表示，因为自己站在巨人的肩膀上。牛顿数学桥牛顿数学桥是剑桥大学城里的一大景观，全桥由7177根大小不一的木头衔接而成，有10299个接口，如果以一个接口用一枚铁钉来计算，那么至少需要 10299枚铁钉。但牛顿把所有铁钉都倒进了河里，整座桥没用一枚铁钉

9、，这就是数学的奇妙。多少年来，剑桥数学系的高才生们都梦想解破数学桥的奥秘，换句话说就是想在纸头上造一座跟数学桥一模一样的桥。但如愿者无一。多数人设计出来的桥至少需要上千枚铁钉才能达到原桥同等效果，只有少数几人把铁钉数量减少 到千枚数之内。有个冰岛人，他创造了有史以来的最好成绩，把铁钉数减少到561枚。4、早期成就（1）16651666年：在英国发生了一场可怕的鼠疫，为躲避瘟疫，牛顿回到乡下。在乡下的这两年是牛顿科学生涯中的黄金岁月，他在光学、数学、力学等领域的研究都取得了重要进展。16651666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

10、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。（2）牛顿在研究了伽利略等人的实验成果后，自己制作了一架折

11、射望远镜，对太阳光进行反射实验，证明日光即白光由七色光组成，他还进一步说明了物体颜色的形成原理（这个原理是指物体的颜色是不同颜色的光在不同物体上有不同的反射率和折射率造成的，而不在物体自身上。）。他的实验与结论奠定了光谱学的基础。1666年，牛顿在家休假期间，得到了三棱镜，他用来进行了著名的色散试验。一束太阳光通过三棱镜后，分解成几种颜色的光谱带，牛顿再用一块带狭缝的挡板把其他颜色的光挡住，只让一种颜色的光在通过第二个三棱镜，结果出来的只是同样颜色的光。这样，他就发现了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

12、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。公元1672年，牛顿把自己的研究成果发表在皇家学会哲学杂志上，这是他第一次公开发表的论文。（3）在进行光学研究的同时，牛顿于1668年设计并制作了世界上第一架反射望远镜，用这架望远镜，他考察行星运动，分析潮汐现象，预言地球不是正球体。在英国皇家学会的要求下，牛顿又亲手制作了一架更大的反射望远镜，送给皇家学会。现在的天文反射望远镜，就是在牛顿的反射望远镜基础上，发展而来的。反射望远镜的发明，使人类对天体的观察进入了一个新阶段。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

13、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。古希腊的亚里士多德认为地球是个正球体，两千年来人们对此深信不疑。牛顿却根据他的力学，说地球是个扁球体，象只大桔子。此言一出，学界哗然。地球那么大，牛顿又从不出远门，他凭什么说地球有点扁？可是法国科学家经过三次实地测量，终于证实了牛顿的看法。用力学能算出地球的形状，真是个奇迹。（4）1672年，牛

14、顿被选为英国皇家学会会员，当年他将自己的论文关于光和色的新理论送交学会。这篇论文提出了光的本质是微粒的见解，这个学说在后来的两个世纪中，统领西方物理学界，与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。牛顿在他的著作中提出，光是由一粒粒像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流。而惠更斯认为光是一种机械波动，由发光物体振动引起。19世纪60年代，麦克斯韦 (1831-1879，英国物理学家）又提出光是一种电磁现象，光波是一种波长较短的电磁波。到了20世纪，爱因斯坦提出光量子论，赋予光以波粒二象性，把光的微粒说和波动说在一个更高的基础上统一起来。愛因斯坦說：“在人类的历史上，能够結合物理实

15、验、数学理论、机械发明成为科学艺术的人，只有一位-那就是牛顿。”二、发现万有引力定律1、发现万有引力定律（1）还在大学里，牛顿就已经了解了哥白尼、伽利略和开普勒等人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。但行星为什么会这样运动？牛顿感到一定有一种隐藏着的力量在牵着这些行星，使它们不至于脱离轨道，在天空中乱飞。重物落向地面，也是由于这种力量的吸引。（2）主要内容：宇宙间一切物体之间，都存在着一种的作用，这种相互吸引的作用力，就是万有引力。（3）意义：万有引力定律后来成为天文学上的基础定律，极大地推动了人们对天体运动的研究。人们用这个定律解释彗星的轨道问题、双星行为以及

16、新发现行星的运动等，在实践中多次证明这个理论的正确性。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。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。牛顿发现万有引力定律的时间应在1685年春。2、创立牛顿力学（

17、1）标志：1687年，牛顿的划时代科学巨著自然哲学中的数学原理出版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

18、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）内容：在这部著作中，他确定了解决万有引力问题的物体运动三定律（即惯性定律、力与加速度之间关系的定律、作用与反作用定律），阐明万有引力的概念并把它应用到天文学中。此外，他在书中还解释了潮汐现象、地球的圆扁形状

19、等问题。这是一本重要的力学全书，它用数学表达方式，把伽利略和开普勒等人提出的零散的理论加以科学整理，从而构成一个完整的力学理论体系。（3）地位：牛顿力学成为经典力学理论，居于物理学的统治地位，直到爱因斯坦相对论的提出和 的建立才打破了这种绝对权威。牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学；由于进行了光的分解，而创立了科学的光学；由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学；由于认识了力的本质，而创立了科学的力学”。 恩格斯三、勤奋的探索与科学的研究方法1、勤奋的探索精神：当牛顿成名后，曾经有人问他，用什么方法做出了那样多的发明和发现，牛顿回答说，自己并没有什么特别的方法，只不过对一件

20、事能够用很长时间加以考虑。的确，在科学研究上，牛顿是一个十分专注的科学家，同时也是位勤奋的探索者。牛顿一生未婚，他的多半时间都在剑桥大学里工作，而其中绝大部分时间又都花在实验室里。通常他很少在夜里两三点前入睡，一天的睡眠时间只有四五个小时，有时为了一项研究会通宵达旦，或连续几个星期工作在实验室里。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

21、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

22、从未看过他坐在餐桌旁吃饭。”牛顿：“你若想获得知识，你该下苦功；你若想获得食物，你该下苦功；你若想得到快乐，你也该下苦功。因为辛苦是获得一切的定律。”作为大学教授，牛顿常常忙得不修边幅，往往领带不结，袜带不系好，马裤也不扣纽扣，就走进了大学餐厅。有一次，他在向一位姑娘求婚时思想又开了小差，他脑海了只剩下了无穷量的二项式定理。他抓住姑娘的手指，错误的把它当成通烟斗的通条，硬往烟斗里塞，痛得姑娘大叫，离他而去。牛顿也因此终生未娶。2、科学的研究方法牛顿将实验作为得出科学概念的主要途径。这是近代的科学研究方法，牛顿是第一个充分使用这种方法的人。牛顿的研究方法被后人总结为“归纳一演绎”法，他在实验中得

23、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。这种严肃的科学态度与勤奋的探索精神相结合，使牛顿做出科学史上的伟大发现，并为近代科学的发展奠定基础。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

24、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。3、晚年：晚年的牛顿开始致力于对神学的研究，他否定哲学的指导作用，虔诚地相信上帝，埋头于写以神学为题材的著作。当他遇到难以解释的天体运动时，竟提出了“神的第一推动力”的谬论。他说，“上帝统治万物，我们是他的仆人而敬畏他、崇拜他。”40岁以后，他把兴趣逐渐转向政治、化学（贱金属变成黄金）神学问题，写了近200万言的著作，毫无价值。3、逝世：1727年3月20日，牛顿去世，终年85岁以国葬礼葬于伦敦威斯敏斯特教堂。四年之后，后人为牛顿修建了

25、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。牛顿以自己杰出的贡献，获得了国葬的礼遇。他被安葬在威斯敏斯特教堂，那是安葬英国英雄们的地方。为他抬棺材的是两位公爵、三位伯爵以及大法官。法国著名哲学家伏尔泰当时正在英国访问，他目睹了牛顿的葬礼，十分感叹牛顿所获得的殊荣。他是这样描写的：“他是像一位深受自己的臣民爱戴的国王一样被安葬的。在他之前，是没有哪一位科学家享受如此殊荣

26、的。在他之后，受到如此厚葬的也将会是屈指可数的。” 4、评价牛顿（1）牛顿是英国物理家、数学家和天文学家，是经典力学建立者。是近代科学之父。（2）他创建了经典力学的理论体系，在光学、数学、天文学研究方面也做出划时代发明和发现，（3）牛顿是17C科学革命中所涌现出来最伟大的科学家，也是人类历史上最伟大的科学家之一。思考：为什么说牛顿是“近代科学之父”？（1）牛顿是英国物理学家、天文学家和数学家。（2）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。（3）在物理学上，牛顿基于伽

27、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。（4）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。（5）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。（6）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。学思之窗1你怎样看待牛顿的学习方法？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？答案提示：后一