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万有引力定律是如何被发现的?
传说牛顿是在苹果树下被苹果砸中受启发而发现万有引力定律,万有引力定律将地上的苹果落地现象、大海的潮汐以及天上日月星辰的运动统一了起来,表明任何两个有质量的物体之间都存在引力作用。
1846年法国数学家和天文学家勒维耶根据引力定律计算得到一颗未知行星对天王星公转轨道的引力摄动,建议柏林天文台寻找这颗未知行星,结果找到了天王星,而且观测到的天王星的位置与勒维耶的计算结果只差1度,可以说明引力定律仍然是十分精确的和应用广泛的。
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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