牛顿怎样发现万有引力(牛顿怎样发现万有引力的方向)

无双 百科知识 370

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牛顿是如何发现万有引力的?

牛顿看着苹果,不断地思考着这个问题。思绪越来越远,飞到了月亮,飞到了茫茫的宇宙……他手中的苹果,也已经变成了月球,变成了行星,变成了茫茫太空中的一个个天体。

牛顿坐在树下,对着苹果沉思了许久,突然,他悟出了一个道理:

“苹果从树上掉下来,只因为地球在用力往下拽它,在吸引着它。”

“可是,苹果是因地球的引力而掉在地上的,为什么月球就不会受地球引力的影响而掉下来呢?”

“又是什么样的力使它们始终保持着一定距离运转呢?难道是因为月球和地球的距离比苹果和地面的距离大的缘故吗?”

牛顿百思不得其解。

“地球的力量到底有多大?这种力量有没有极限呢?”

一个又一个疑问困扰着牛顿。

忽然,牛顿想到了小时候玩过的一种游戏:

首先把一块石头用一根绳子绑住,然后把绳子的另一头系在手上,再用力使劲地甩,石头就会绕着圆圈打转。

牛顿想:

“如果把人看成是地球,而石头就是月球,石头绕着人转,那么绳子也就相当于地球引力,石头越大,转起来越费力。”

“这样,就可以了解到月球为什么保持一定的距离,环绕地球转,而不会飞走或掉到地球上来了。同样的道理,太阳与地球之间,也存在着这种引力。而宇宙中的其它星体之间,也被这种引力吸引着,有规律地运动着。”

牛顿一下子开了窍似的,悟透了宇宙运动规律,于是万有引力就这样被发现了。牛顿悟出了这个道理,心中有说不出的喜悦,可是思考并未因此而止步,他仍在思考着地球、月球、太阳之间存在的这种力会不会改变。

牛顿是怎样发现万有引力的?

关于万有引力的发现有一个有趣的传说:一次,牛顿正在花园里小坐。这时,一个苹果从树上掉了下来……虽然这件曾发生过无数次的事再平常不过,但却引起了这位巨人的沉思:究竟什么原因使一切物体都受到差不多总是朝向地心的吸引呢?牛顿思索着,终于,他发现了对人类具有划时代意义的万有引力。

在《自然哲学的数学原理》中,牛顿提出了一个思想实验,设想有一个小星球很靠近地球,以至几乎触及到地球上最高的山顶,那么使它保持轨道运动的向心力当然就等于它在山顶处所受的重力。这时如果小星球突然失去了运动,它就如同山顶处的物体一样以相同的速度下落。如果它所受的向心力并不是重力,那么它就将在这两种力的作用下以更大的速度下落,这是同我们的经验不符合的。可见重物的重力和星球的向心力必然是出于同一个原因。

紧接着,牛顿根据惠更斯的向心力公式和开普勒的三个定律推导了平方反比关系。牛顿还反过来证明了若物体所受的力指向一点而且遵从平方反比关系,则物体轨道呈圆锥曲线—椭圆、抛物线或双曲线。在原理中,牛顿同磁力作用相类比,得出这些指向物体的力应与这些物体的性质和量有关,从而把质量引进了万有引力定律。

牛顿把他在月球方面得到的结果推广到行星的运动上去,并进一步得出所有物体之间万有引力都在起作用的结论。这个引力同相互吸引的物体质量成正比,同它们之间的距离的平方成正比。牛顿根据这个定律建立了天体力学的严密的数学理论,从而把天体的运动纳入到根据地面上的实验得出的力学原理之中,这是人类认识史上的一个重大的飞跃。

牛顿是如何发现万有引力定律的?

据牛顿晚年的密友回忆,牛顿曾多次对他们讲过,是苹果落地引发了他对万有引力的思考。

一天,牛顿坐在一棵苹果树下对引力问题进行思考。突然“扑通”一声,一个苹果从树上落到了他的脚旁。苹果为什么不向上,也不向旁边而总是垂直地落在地面上呢?牛顿陷入了沉思。

苹果落地是重力的结果,也即地球对苹果吸引力的结果。牛顿发现,一个物体的重量不论在地面上还是在高山顶上,都相差不是很大,可见地球引力威力之大。他设想,重力可以延伸到很远很远,穿越太空,到达月球,把月亮往地球上吸引。

那么月亮为什么不会落到地球上呢?牛顿根据抛物体运动,画了一张画,例如有一个人站在一座高山上,用不同速度水平地抛出一个物体,抛出物体的速度越小,物体落地点离山脚越近,速度越大,落地点离山脚越远。当速度大到一定程度时,它就不再落回地面上了,而是绕着地球旋转。月亮的情形就是这样,它以1000米/秒的速度运行,所以不会落在地球上,成了地球的卫星。

牛顿画的这张图使人们不禁想到,假如追溯是谁最早提出人造卫星的设想的话,那么牛顿还可算是老祖宗呢。

牛顿首先选择了地球和月亮的关系开始研究万有引力,因为月球的轨道是圆的,计算起来也比较方便。

牛顿由开普勒的第三定律和圆周运动向心加速度公式,得出了引力大小与行星质量成正比,与它们之间的距离成反比。这就是万有引力定律。

牛顿算出月亮加速度约为0.27厘米/秒2,而苹果落地的重力加速度是980厘米/秒2,约是月球加速度的3600倍,而月球与地球间的距离约为地球半径的60倍,这就证明了,让苹果落地的力和使月球保持在它的轨道上的力,都是地球的重力。

不过,当时牛顿并没有公布他的发现,也许他看到了要真正解决这个问题还有许多难点没有解决,这就为牛顿与胡克对发现万有引力的争论埋下了伏笔。牛顿真正公布万有引力定律,是在十几年以后的1684年。

牛顿怎样发现万有引力(牛顿怎样发现万有引力的方向)-第1张图片-无双博客

牛顿观察什么发现了万有引力?

牛顿观察物体下落的现象发现万有引力,比如苹果从树上落下来而不飞走,比如抛到空中的石头又落下来,比如水从高处向低处流等等。

由于牛顿没有停留在朴素的观察上,而是应用数学,尤其发明了微积分,致使应用数学工具,从开普勒三定律进行推算,从此发现了著名的万有引力。

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。

如果用m1、m2表示两个物体的质量,r表示它们间的距离,则物体间相互吸引力为F=(Gm1m2)/r²,G称为万有引力常数也可简称为引力常数,G由卡文迪许使用扭秤装置测出,其值约为6.67×10^-11 N·m²/kg²。

牛顿是怎么发现万有引力的?

我们小时候都听过牛顿从苹果落地发现万有引力的故事,在天文学历史中,牛顿可以算是一个伟人。他不仅继承了哥白尼、开普勒等人的伟大成就,还经过自己的潜心研究在天文学上取得了更伟大的成果。

在他年轻的时候,他相信开普勒提出的行星运动定律。但是又开始疑惑行星为什么会这样运动呢?在他认为这些行星运动的时候一定有种隐藏着的力量在牵制着它们,它们才不至于脱离轨道在天空中乱跑。月亮绕着地球运转的时候也一定是有种力在牵着它;一件东西向地面落下而不是落到天上,也是因为被这种力吸向地面。长期的观察研究使牛顿发现任何物体都具有吸引力,于是他发现了万有引力定律。这就是:宇宙中的任何物体之间,都存在着相互吸引力;各个物体间吸引力的大小,与物体的大小成正比,与它们之间的距离成反比。牛顿还用数学公式把它表达出来,后来牛顿的三大定律成为天文学上的基础定律,对后来人们对天体运动的研究有着普遍意义。

牛顿的三大定律对人类发现天体也有很大的帮助,17世纪初,万有引力理论开始被应用于天体研究,来确定星体之间的运动。1684年对牛顿的研究结果产生很大兴趣的哈雷拜访了牛顿。在与牛顿讨论后哈雷得出结论,彗星会在一定的周期内再次出现。可以说,没有牛顿,他可能永远都无法有这一大发现。

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