从牛顿到爱因斯坦

1、從牛頓到愛因斯坦物理史上的兩大巨人上一千年最有影響力的思想家 1. Karl Marx 馬克斯 2. Albert Einstein 愛因斯坦 3. Isaac Newton 牛頓 4. Charles Darwin 達爾文 英國BBC 2000年票選上一千年最有影響力的人 1. Albert Einstein (1879-1955) 愛因斯坦 2. Martin Luther (1483-1546) 馬丁 路得 3-4 Karl Marx (1818-1883) 馬克斯 William Shakespeare (1564-1616) 莎士比亞 5. Isaac Newton (1642-17

2、27) 牛頓 6. Adolf Hitler (1889-1945) 希特勒 7. Christopher Columbus (1451-1506) 哥倫布 8. Johannes Gutenberg (1398-1468) 古騰堡 9. Charles Darwin (1809-82) 達爾文 10. Galileo Galilei (1564-1642) 伽里略The Globe and Mail 1999 年票選Isaac Newton 16421727牛牛 頓頓艾薩克牛頓（艾薩克牛頓（Sir Isaac Newton）現代科學之父現代科學之父 我不知道我呈現了什麼給這世界，但展我不知道

3、我呈現了什麼給這世界，但展現在我面前的是一片尚未被發掘的真理的海現在我面前的是一片尚未被發掘的真理的海洋。洋。 西元西元16421642年年，牛頓牛頓出生在英國出生在英國烏爾索坡烏爾索坡的偏僻村落。出生前父親就過世，母親也在的偏僻村落。出生前父親就過世，母親也在他他3 3歲的時後改嫁。因此歲的時後改嫁。因此牛頓牛頓是被外婆撫養長是被外婆撫養長大的，個性有點孤僻、內向、害羞。大的，個性有點孤僻、內向、害羞。 牛頓牛頓小時在校的成績並不優秀，可是對小時在校的成績並不優秀，可是對於一切他不明白的事物都很感興趣，並且會於一切他不明白的事物都很感興趣，並且會不厭其煩的動手去做實驗。不厭其煩的動手去做實驗

4、。 此時展露木刻模型及機械方面的天份，此時展露木刻模型及機械方面的天份，發明了水鐘、風車及燈籠等東西，可以說是發明了水鐘、風車及燈籠等東西，可以說是一個一個少年發明家少年發明家！ 少年牛少年牛 頓頓 1665 1665年獲得學士學位後兩年是牛頓自年獲得學士學位後兩年是牛頓自認為一生當中獨創力的顛峰時期，認為一生當中獨創力的顛峰時期，萬有引萬有引力力就在此時發現，因而有烏爾索普的蘋就在此時發現，因而有烏爾索普的蘋果樹的傳說。果樹的傳說。 力學力學與與微積分微積分也都是此段時間發明的；也都是此段時間發明的；圓與橢圓面積圓與橢圓面積的計算是當時數學家挑戰的的計算是當時數學家挑戰的難題，居然被難題，居

5、然被2525歲的牛頓解決了。歲的牛頓解決了。 16671667年初，牛頓帶著一流的研究成果年初，牛頓帶著一流的研究成果回到劍橋三一學院，購買實驗器材，開始回到劍橋三一學院，購買實驗器材，開始製作反射望遠鏡，並且定居下來。製作反射望遠鏡，並且定居下來。牛頓的黃金時期牛頓18歲時進入劍橋大學就讀，23歲從劍橋大學畢業後，當時由於黑死病蔓延，便躲回家鄉。在家鄉的這兩年（2325歲）是他這一生創造力最顛峰的時期，也奠定了他一生中三大發現萬有引力、光學及微積分的重要基礎。 牛頓的數學原理 牛頓牛頓1818歲時進入劍橋大學就讀，畢業後第二年，歲時進入劍橋大學就讀，畢業後第二年，接任他的老師巴勞數學講座教授

6、的遺缺，正式成為劍接任他的老師巴勞數學講座教授的遺缺，正式成為劍橋大學的教授。橋大學的教授。 牛頓在牛頓在16841684年跟他的好朋友哈雷（算出哈雷彗星年跟他的好朋友哈雷（算出哈雷彗星週期）解釋，如何用數學的方法，計算出行星的運動週期）解釋，如何用數學的方法，計算出行星的運動和橢圓形軌道。哈雷覺得牛頓的研究是很大的突破，和橢圓形軌道。哈雷覺得牛頓的研究是很大的突破，馬上勸他將研究的原理公告世人，後來成為科學史上馬上勸他將研究的原理公告世人，後來成為科學史上空前偉大的著作，簡稱為空前偉大的著作，簡稱為數學原理數學原理。 牛頓的黃金時期牛頓的黃金時期哈雷 他的這本他的這本數學原理數學原理是自然科

7、學史上的重是自然科學史上的重要文獻。在這本書內，牛頓提出並定義了一系列要文獻。在這本書內，牛頓提出並定義了一系列奠定力學基礎的基本概念，例如奠定力學基礎的基本概念，例如質量、慣性、力質量、慣性、力與向心力、絕對時間、絕對空間與向心力、絕對時間、絕對空間等。等。 牛頓的經典力學還包括了牛頓的經典力學還包括了天體力學的理論，天體力學的理論，研究行星的運動，月球的運動，潮汐，歲差和彗研究行星的運動，月球的運動，潮汐，歲差和彗星的運動星的運動等。當然，最主要還是等。當然，最主要還是運動三大定律運動三大定律，或我們現在稱之為牛頓三大定律。或我們現在稱之為牛頓三大定律。 牛頓牛頓的的數學原理數學原理 萬有

8、引力萬有引力 牛頓牛頓另外還有一個偉大的發現，就是發現另外還有一個偉大的發現，就是發現了了萬有引力萬有引力。事實上，萬有引力的概念早就有。事實上，萬有引力的概念早就有人發現並且提出來了。可是，只有牛頓利用數人發現並且提出來了。可是，只有牛頓利用數學原理證明。學原理證明。 從從牛頓牛頓所確立的所確立的萬有引力萬有引力之後，科學家可之後，科學家可以輕易的解釋以輕易的解釋歲差歲差、視差視差、潮汐潮汐、地球的形狀地球的形狀及及彗星的運動彗星的運動等問題，甚至能推算出等問題，甚至能推算出海王星海王星的的存在。存在。蘋果與月亮運動本質一樣!慣性重力牛頓日夜從事研究的書桌，桌上放置的就是他自製的反射式望遠鏡

9、牛頓的數學原理的其他成就 牛頓會的不只有會的不只有力學學，對於，對於光學光學，他也很，他也很有一套喔！有一套喔！牛頓製造出堪稱當時最完美的製造出堪稱當時最完美的望遠望遠鏡鏡，如果你有機會參觀現代最棒的，如果你有機會參觀現代最棒的望遠鏡望遠鏡，你，你會發現它的構造和當初會發現它的構造和當初牛頓做的沒什麼兩樣！做的沒什麼兩樣！ 1704 1704年，他出了一本叫做年，他出了一本叫做光學：光的折光學：光的折射、反射、繞射和顏色射、反射、繞射和顏色的書。的書。17051705年，他受年，他受封為封為英國的爵士英國的爵士，是第一個因為學術成就而獲，是第一個因為學術成就而獲得這種頭銜的科學家。得這種頭銜的

10、科學家。 有很長一段時間有很長一段時間牛頓牛頓對物理不感興趣，反對物理不感興趣，反而很喜歡研究而很喜歡研究化學化學、煉金術煉金術。此外，。此外，牛頓牛頓也探也探討討宗教宗教事物，有許多關於事物，有許多關於宗教宗教的作品，在他死的作品，在他死後彙集出版。後彙集出版。 他也曾當選國會議員及他也曾當選國會議員及擔任鑄幣局局長擔任鑄幣局局長，17031703年，當選為英國皇家學會的主席，這個職年，當選為英國皇家學會的主席，這個職務一直擔任到他去世為止。務一直擔任到他去世為止。牛頓牛頓逝世於逝世於17271727年年，享年享年8383歲歲。站在巨人的肩上站在巨人的肩上 指克卜勒和伽利略。 牛頓牛頓的物理

11、學指導我們科學發展長達的物理學指導我們科學發展長達兩兩百多年百多年，在二十世紀以前，人們以為，在二十世紀以前，人們以為牛頓牛頓的的學說已經是物理學的頂峰，一切物理學的疑學說已經是物理學的頂峰，一切物理學的疑難都可以在他的學說中找到答案。難都可以在他的學說中找到答案。 但是，他的經典力學最後仍然被但是，他的經典力學最後仍然被愛因斯愛因斯坦坦的相對論的相對論修正了，現在物理學的發展修正了，現在物理學的發展也已經完全超越了他的學說內容；但是，也已經完全超越了他的學說內容；但是，牛牛頓頓提供了建立科學所需要的定理，促成了現提供了建立科學所需要的定理，促成了現代科學的誕生。代科學的誕生。牛頓對物理的主要

12、貢獻 發明微分與積分 提出運動三律 提出萬有重力律 光的色散 解釋光的行進 提出光的微粒說 解釋月球運動與潮汐成因 著自然哲學的數學原理三冊 (1687) 著光學 三冊(1704) 一統解釋地面物體與天上星體的運動 影響光學研究 建立物理研究典範牛頓第一運動定律 物體不受外力作用或所受外力的合力為時，則靜止者恆為靜止；運動者恆作等速度運動。牛頓第一運動定律是延續伽利略的慣性 概念而成。牛頓第一運動定律又稱為慣性定律。 【慣性是指物體不受外力作用時，具有 維持其原來運動狀態的特性】牛頓第一運動定律無法以實驗證實之。牛頓 第一運動定律物體若不受外力作用 (或受力作用，但合力為零)，則靜止者恆靜，運

13、動者恆做等速度運動牛頓第一運動定律的實例 汽車啟動時，乘客會往後仰；而汽車驟 停時，乘客會往前頃。 搖動樹幹使果實掉落。 拍打衣服以去除灰塵。 將柄擊地使刀嵌入柄。 旋轉雨傘，雨滴會沿切線方向飛出。 牛頓第二運動定律的探討 牛頓第二運動定律又簡稱為運動定律。 牛頓第一運動定律是牛頓第二運動定律 的特例，但不包含於牛頓第二運動定律 。 質量為慣性的另一種測量： 質量愈大者則其慣性愈大。 牛頓第二運動定律適用於任何地方，故 在無重力處，可用來測量物體的質量。 牛頓第二運動定律的實例 用刷子刷掉衣服上的灰塵。鉛球受力愈大推得愈遠。 愈重的東西愈不易推動。 皮球在草地上滾動，終至停止。 物體自高處自由

14、落下，愈近地面速度愈 快。 牛頓第二運動定律物體如受外力的作用，則必沿力的方向產生加速度，這個加速度在一定質量下，和外力成正比；在一定外力下和質量成反比。作用力與反作用力實驗 牛頓第三運動定律 牛頓第三運動定律又稱之為作用力與反 作用力定律。 作用力與反作用力必同時發生且同時消 失。 作用力與反作用力係分別作用於不同物 體，故不能互相抵消。 每施作用力於物體時，物體必相伴產生一個反作用力給予施力者；作用力與反作用力兩者必大小相等、方向相反、且作用在同一直線上。 牛頓第三運動定律的探討 如果作用力與反作用力發生在同一系統 內時，則可以互相抵消；因此時的兩力 係屬於系統的內力，對整體而言並沒有 效

15、應產生，故不影響整體的運動狀態。 當兩物體發生力的交互作用時，兩物體 必受大小相等的力，故質量大者所產生 的加速度較小；反之，質量小者所產生 的加速度較大。 宇宙中力的總數目必為偶數。 牛頓第三運動定律(作用力與反作用力定律)每施一作用力於一物體，物體必同時給予施力者一反作用力，作用力與反作用力大小相等，方向相反牛頓第三運動定律的實例 人在行走時是足向後下方施力，地面對 足施反作用力而使人前進。 舉槍射擊，子彈施反作用力於槍身而擊 痛肩膀。 火箭施力於排出的氣體， 被排出的氣體施反作用力 於火箭而使火箭升空。 漏氣的氣球往反方向飛去。 人能舉物，但不能舉起自己。 作用力與反作用力和平衡的兩力之比較 牛牛 頓頓 的的 話話牛頓是一位偉大的腦力勞動者，他沉默牛頓是一位偉大的腦力勞動者，他沉默寡言。他曾經說過：寡言。他曾經說過： 我並無特別過人的智慧，有的只是堅