浅谈引力定律

浅谈引力定律

在数学上，许多人认为牛顿的强制法是他在物理史上做出的贡献。然而，只有借鉴前人的研究成果，我们才能找到。换言之，牛顿的强制法不是牛顿日日思想的空想，而是通过学习哥比尼、卡尔、利诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊诺伊。一、以往的研究表明了牛顿(一)亚里士多德的自由运动理论亚里士多德是一位著名的古希腊哲学家,他提出的学说对于物理学的发展起到了推动作用,亚里士多德曾经指出:没有人能够解释为什么一些运动着的物体会在特定的地点或位置停下,也没有人能够解释运动着的物体为什么停留在在这个特定的位置上。亚里士多德的这些观点与现代牛顿第一定律的内容是由共通之处的。然而亚里士多德却把物体下落与物体进行的其他运动分裂开来进行研究,在他看来物体的基本组成元素是水、土、气和火,其中水、土、气属于重元素,下落是其最终的归宿,火属于轻元素,上升是其最终的归宿,这四种元素的不同组合就构成了不同的物质,当世间的物质离开其“自然的位置”之后就会有重新回到这个位置的趋势,所以他把物体自由下落运动解释为自然的运动,把物体进行的其他运动解释为受迫运动。就如同水总是向下流,火总是向上升,虽然现在我们可以发现这个观点并不正确,但是他迈出历史上研究万有引力定律的第一步,在当时得到了大家的认可,相信牛顿通过对于亚里士多德的观点的学习,他可以了解在物理学范畴内存在着万有引力定律这样一个概念。(二)全球“中心说”提到哥白尼,他的日心说是最为大家所熟知的,他的日心说撼动了亚里士多德“自然位置说”的地位。亚里士多德认为地球是宇宙的中心,而达·芬奇则认为地球不是宇宙的中心,地球是真正与其结合的所有元素的中心。哥白尼在借鉴了达·芬奇的观点之后提出,重力是一种自然倾向,重力能够让地球维持其自身最初的形状,太阳和月亮等星球也具有这种属性,来维持他们自身的形状和运行。由此哥白尼提出了他的万有引力定律,虽然哥白尼并没有彻底摆脱形而上学的思维方式,但是哥白尼的万有引力定律比亚里士多德的万有引力定律要更加科学一点,能够让牛顿进一步探索万有引力的真正含义。(三)引力与磁的作用方式英国物理学家威廉·吉尔伯特在磁学方面的著作《论磁石》中较为系统第阐述了磁学。威廉·吉尔伯特在研究磁石吸引铁制品时,他想到磁铁吸引铁制品这个过程与地球吸引其他物体的过程有相似之处,所以威廉·吉尔伯特认为地球有像磁铁那样可以吸引物体的性质,就如同太阳和月亮一样可以自动安放那些可能会离开他的物体。同时威廉·吉尔伯特还把这一观点应用于对潮汐的研究上,他认为潮汐并不是受月亮光线的作用而变化的,而可能是通过磁力的作用而进行的有规律的变化。万有引力先驱约翰·开普勒极力拥护这一观点,他认为这才是真正的引力定律:引力是两个或多个物体之间的相互影响,由于引力的作用,这些相互受影响的物体有相互结合的趋势;磁力也是拥有这种性质。根据现代物理的观点,电磁力和引力的作用方式确实是一样的,但是不能像理解磁力一样理解引力。这就给牛顿进一步研究万有引力定律提供了方向。(四)其他学者的研究对牛顿发现万有引力定律的帮助物理学不是一门封闭的不与其他学科联系的学科,解决物理问题常常需要用到数学的方法,有时也要运用哲学范畴的知识,这就要求牛顿在进行研究时必须学习其他相关学科的一些知识,如数学学科中的重要任务笛卡尔学习和继承了前人梅尔顿和奥里姆斯的研究成果研究出了新的内容,牛顿则学习了惠更新和笛卡尔的观点来解决物理中遇到的数学问题,此外牛顿也研究和学习了天文学家哈雷、力学领域伽利略的观点和主张,这些对其他学科的研究和学习对于牛顿最后提出万有引力定律定律提供了很大的帮助。二、其他学者的研究大多数人都知道苹果落地这个故事,人们普遍认为苹果落地砸到牛顿的头让牛顿开始思考万有引力的有关内容,实际上,单单一个苹果是不能够帮助牛顿找到关于万有引力定律的思绪和想法的。根据牛顿留下来的手稿、论文和著作等,人们并不能从中找出牛顿发现万有引力定律的全部过程,长时间以来,人们都是根据牛顿留下来的一些文献资料来推理和估计牛顿创造万有引力定律的经过,但是在所有牛顿留下来的资料中都没有提到过苹果的故事,但是根据一些信件可以证明牛顿因为瘟疫在1665年和1666年曾在乡下居住过,在乡下居住期间,牛顿研究和学习了数学和天文学,并开始思考关于引力的问题,而且还依据开普勒第三定律推导出引力的平方反比定律。经过研究人们发现在牛顿推导出引力的平方反比定律之后,他并没有立即发表这一发现,而是在20多年之后才公开发表。三、牛顿的重力定律研究和发现(一)牛顿力学的研究之旅在大学期间,牛顿对物理学、力学等的学习较多:开始时牛顿接触了亚里士多德的局部运动理论,然后学习了伽利略和笛卡尔所著的书籍,在伽利略和笛卡尔的著作的影响下,牛顿开启了学习动力学的研究之旅。牛顿在1665年和1666年期间居住于乡下,在这段期间他进行的学习和研究大都记录在了纸和本上:他定义了力学的大部分基础概念和速度的概念,尤其是对力的概念进行了特别详细的说明,而且推导出离心力公式。这些研究内容基本上构成了牛顿后期发表的理论的框架。通过对手稿的研究,那些科学史专家可以确定在1665年至1666年期间牛顿根据伽利略的时间平方关系和笛卡尔的碰撞理论以及其出色的数学才能已经研究出并掌握了离心力公式,但是在那时牛顿还没有对引力研究的很透彻,即还没有发现万有引力定律。(二)用微生物解决制造问题的作用自1666年之后的十几年间,牛顿没有继续研究力学问题,而是研究数学问题并发现和创立了微积分,而微积分的出现正好可以帮助牛顿解决一些物理学上的问题。在1679年和1680年这两年里牛顿和胡可两人通过书信探讨了地球表面物体降落的路径问题,在1680年牛顿证明出在椭圆轨道上运动的物体一定会受到一个方向指向焦点的力,而且这个力和聚焦点的距离成反比关系。这一研究发现为《原理》奠定了坚实的基础。(三)万有引力定律牛顿花费了八九个月的时间完成了《轮物体的运动》这一著作,在这一书中有一篇文章名为《论世界体系》,在这篇文章里牛顿详细说明了万有引力的主要思想,他绘制了人造卫星发射的原理图,利用这个图说明了行星如何在向心力的作用之下保持规律的轨道运动,并解释了抛体运动和行星运动的运动原理和这两种运动的异同点,并在1687年出版《原理》时,发表了这一研究发现,即至此牛顿完整地提出了万有引力定律。在《原理》一书中,牛顿发表了两个对物理有重要影响的定律。第一,牛顿根据自己所做的这些研究并借鉴和研究了前任的研究成果,运用牛顿自己研究创立的动力学定律,并经过不断的理论分析和验算,发表了物理学中非常著名的万有引力定律,牛顿将这个著名的万有引力定律概述为:宇宙中任何两个物体之间都存在着相互的作用力,这个力与这两个物体质量的乘积成正比例关系,和这两个物体之间的距离成反比关系,而且这个力作用在这两个物体质心间的连线上,万有引力定律的数学表达式为:万有引力数学表达式中的G表示万有引力常数,m表示物体的质量,r表示物体之间的距离。万有引力定律是现代空间技术的力学基础,是物理学科中帮助人们解决实际问题且精密可靠的基本定律。第二,牛顿对于引力质量和惯性质量的研究也有所突破,验证所有物体的引力质量和惯性质量都严格地满足正比关系,是牛顿万有引力理论的重点内容,在验证万有引力定律时,牛顿尽可能地用精准的试验进行验证,在《原理》中,牛顿通过观察两个材质不同质量相同的物体在摆长相同的木匣中的运动情况,描述了引力质量与惯性质量之比的变化情况,这些物体囊括了铅、沙、木料、食盐、玻璃、金、麦子、