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选修4牛顿
近代科学之父牛顿
艾萨克·牛顿爵士是人类历史上出现过的最伟大、最有影响的科学家,同时也是物理学家、数学家和哲学家,晚年醉心于炼金术和神学。
他在1687年7月5日发表的不朽著作《自然哲学的数学原理》里用数学方法阐明了宇宙中最基本的法则——万有引力定律和三大运动定律。
这四条定律构成了一个统一的体系,被认为是“人类智慧史上最伟大的一个成就”,由此奠定了之后三个世纪中物理界的科学观点,并成为现代工程学的基础。
牛顿为人类建立起“理性主义”的旗帜,开启工业革命的大门。
牛顿逝世后被安葬于威斯敏斯特大教堂,成为在此长眠的第一个科学家。
他是17世纪科学革命中所涌现出的最伟大的科学家,被称为“近代科学之父”。
知识点一 早期科学发明与创造
1、早期科学发明
(1)中学时代:
牛顿从小就爱思考,善于观察,中学时代的牛顿已开始进行科学研究和实验。
(2)大学时代:
牛顿接触到大量的自然科学著作,逐渐被引导到当时数学的最前沿——解析几何和微积分方面。
(3)大学毕业前:
牛顿提出了二项式定理以及微积分的初步算法。
(4)1665—1666年:
他在光学、数学和力学等领域的研究都取得了重要进展。
2、光学方面的成就
(1)折射:
牛顿在研究伽利略等人的实验成果的基础上,制作了折射望远镜,证明日光由七色光组成,并进一步说明物体颜色的形成原理。
(2)反射:
1668年,设计并制作了世界上第一架反射望远镜。
(3)光的本质:
1672年,在论文《关于光和色的新理论》中提出了光的本质是微粒的见解,该学说长期统领西方物理学界,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。
知识点二 发现万有引力定律
1、万有引力定律
(1)理论基础:
在大学,牛顿就已了解了哥白尼、伽利略和开普勒等人在天文学方面的研究成果。
(2)提出:
牛顿经过反复思考与试验后,得出结论:
宇宙中一切物体之间,都存在着一种相互吸引的作用,这种相互吸引的作用力,就是万有引力。
2、牛顿力学
(1)三大定律:
1687年,牛顿在科学巨著《自然哲学中的数学原理》中,确定了解决万有引力问题的物体运动三定律,阐明万有引力的概念并把它应用到天文学中。
(2)体系形成:
把伽利略和开普勒等人提出的理论加以科学整理,从而构成了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,在以后的三百多年间,居于物理学的统治地位,直到爱因斯坦相对论的提出和量子力学的建立才打破了这种绝对权威。
知识点三勤奋的探索与科学的研究方法
1、勤奋的探索精神:
在科学研究上,牛顿是一个十分专注的科学家,是一位勤奋的探索者。
2、科学地研究方法:
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。
后人将其方法总结为“归纳——演绎法”。
3、严肃的科学态度:
在试验中得出结论后,还要在进一步的实验中证明自己所得结论的正确性。
这种严肃科学态度和勤奋探索精神相结合,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。
1、牛顿能够在17世纪建立经典力学体系的原因?
提示:
(1)具备了较好的经济基础。
当时英国资本主义经济的迅速发展,为牛顿在科学方面的贡献创造了条件。
(2)具备了较好的知识条件。
开普勒和伽利略的研究成果,特别是伽利略的实验观察法。
(3)英国资本主义制度确立后,资本主义成产的迅速发展对力学提出了迫切的要求。
(4)牛顿在科学领域的探索精神和不畏艰辛、勇于牺牲的思想品质。
他在系统总结前人成果的基础上,进行了大量的实验。
2、试比较分析相同时期近代科技在中国和欧洲出现不同结局的原因。
经济基础不同
中国自给自足的小农经济的分散性和狭隘性
欧洲资本主义产生发展。
政治政策不同
封建统治者实行“重农抑商”和“闭关锁国”政策,阻碍资本主义萌芽的成长,也阻碍了和工商业有关的科技的发展
欧洲先进国家进行保护科学发展的政策并推行重商主义。
思想条件不同
明清统治者实行文化专制主义;
西方文艺复兴、宗教改革、启蒙运动,解放了人们的思想。
政治制度差异
中国是日趋腐朽的封建制度
欧洲向资产阶级代议制过渡
【拓展应用】 牛顿是第一个充分使用近代科学研究方法的人,这里的科学研究方法主要是指( )
A.长期观察B.数学计算C.逻辑推理D.反复实验
1、牛顿的主要成就有哪些?
领域
成就
地位
数学
提出二项式定理以及微积分的初步算法
最大成就是经典力学,被称为“近代科学之父”
物理学
光学
(1)用自制的折射望远镜对太阳光实验,证明日光由七色光组成,还进一步说明物体颜色的形成原理。
(2)1672年《关于光和色的新理论》提出光的本质是微粒学说,与惠更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本理论。
力学
(1)创立了物体运动三定律和万有引力定律。
(2)建立了经典力学理论体系。
天文学
(1)用反射望远镜考察行星运动,分析潮汐现象,预言地球不是正球体。
(2)发现万有引力定律,推动人们对天体运动研究。
2、牛顿力学体系的内容是什么?
有何意义?
提示:
(1)内容:
1687年牛顿发表《自然哲学中的数学原理》,系统地阐述了运动三大定律(惯性定律、加速度的比例定律、作用和反作用定律)和万有引力定律,建立起一个完整的力学理论体系,实现了物理学史上的第一次伟大飞跃。
(2)意义
①牛顿力学定律以严格的数学方法和逻辑体系把宇宙间的运动统一起来,对人类解释和预见物理现象具有决定性的意义。
而海王星的发现是证明牛顿力学和万有引力定律有效性的最成功范例。
②牛顿力学是经典物理学和天文学的基础,也是现代工程力学以及与之有关的工程技术的理论基础。
③牛顿力学的创立,标志着人类科学时代的开始。
牛顿力学和热学引发了以英国工业革命为起点的第一次工业革命,使人类社会进入蒸汽时代。
④牛顿用数学方法精确描述宇宙运动的自然法则,还为法国启蒙思想和唯物主义哲学奠定了科学基础。
1、上中学时牛顿就喜欢做实验并记笔记。
他将日常生活中发生的许多现象记录下来,还对所学过的知识进行分类整理。
因生活所迫,他曾一度辍学在家,即便如此,他仍在从事科学研究。
有一天,外面狂风大作,下起大雨。
牛顿只披了一件斗篷跑到院子里,在雨中跳来跳去地做风力试验,再把实验数据记录下来,以供研究。
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、如果说我比别人看得远些,那是因为我站在巨人肩上的缘故。
我不知道在别人看来,我是什么样的人;但在我自己看来,我不过就像是一个在海滨玩耍的小孩,为不时发现比寻常更为光滑的一块卵石或比寻常更为美丽的一片贝壳而沾沾自喜,而对于展现在我面前浩瀚的真理的海洋,我还没有发现呢。
牛顿以怎样的态度看待他取得的成就?
在他身上我们能够学到科学家的哪些优秀品质?
答案提示:
牛顿对待自己取得的成绩是很谦虚的。
我们可以从科学家身上学到虚怀若谷的谦虚态度和严谨的科学研究态度,还有勤奋的探索精神等。
1、牛顿一生有哪些重大理论发现?
这些理论发现的贡献是什么?
答案提示:
牛顿是英国物理学家、天文学家和数学家。
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;在物理学上,牛顿基于伽利略、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;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;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。
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。
2、牛顿为什么能够做出这些重大发现?
答案提示:
在吸收了前人研究成果的基础上,再加上牛顿勤奋的探索和科学的研究方法。
3、阅读与思考
当牛顿在大学学习,开始探讨哲学与科学问题时,他曾写道:
“我是柏拉图的朋友,我是亚里士多德的朋友,可我更好的朋友是真理。
”
结合牛顿的科学成就与研究方法,分析他这句话的含义。
答案提示:
牛顿在大学里,就已经了解到哥白尼、伽利略和开普勒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。
在此基础上,牛顿进一步思考,行星为什么会这样运动?
最终牛顿得出万有引力定理。
牛顿所采用的“归纳—演绎”方法也是建立在伽利略、培根等科学家的研究基础上,他是第一个充分使用这种方法的人。
所以牛顿把前人都看作自己的朋友,但又不盲目地迷信前人,而是不断发展、创新,所以牛顿说“我更好的朋友是真理”。
1.观察下图,牛顿通过反射望远镜反复观察后大胆预言( )
A.日光是由七种颜色组成B.光的本质是微粒
C.行星运转轨道是椭圆形D.地球不是正球体
2.据牛顿的朋友介绍,牛顿是受苹果落地的启发而悟出了万有引力定律的。
这反映了牛顿的( )
A.善于观察思考的学习习惯B.勤奋的探索精神
C.注重实验的科学研究方法D.严肃的科学态度
3.法国数学家和天文学家拉普拉斯曾经这样说过:
“不会产生两个牛顿,因为要发现的世界只有一个。
”牛顿所发现的“世界”是指( )
A.微积分 B.反射望远镜
C.光的色散原理D.三大运动定律
4.晚年的牛顿迷恋和钻研宗教与神秘思想,写下了大量的《圣经》评注和其他神学论文,认为“上帝统治万物,我们是他的仆人而敬畏他、崇拜他”。
这说明( )
A.牛顿毕生致力于自然科学的研究
B.牛顿晚年否定了自己所发展的科学
C.牛顿受时代的限制也有其局限性
D.牛顿真实的目的是用科学战胜神学
5.勤奋和善于钻研是牛顿的性格,有人评价他在大学时代取得的某项成就时说:
“即使牛顿没有别的成就,仅这个也足以使他在科学史上留下不朽之名。
”该人所评价的牛顿的成就是( )
A.提出二项式定理 B.制成折射望远镜
C.发现天体运行规律D.提出万有引力定律
6.牛顿提出万有引力定律吸收了哪些科学家的成果( )
①欧几里得 ②笛卡儿 ③开普勒 ④伽利略
A.①②B.②③C.③④D.①④
7.17~18世纪,西方物理学界关于光的两大基本理论是( )
A.牛顿的“微粒说”和惠更斯的“波动说”
B.牛顿的“微粒说”和惠更斯的“电磁波说”
C.牛顿的“波动说”和惠更斯的“微粒说”
D.牛顿的“波动说”和麦克斯韦的“电磁波说”
8.下图是《自然哲学中的数学原理》的书影。
此书出版的最重大意义是( )
A.沉重打击了上帝创造万物说B.建立了完整的牛顿力学体系
C.标志着近代物理学正式涎生D.推翻了宗教神学的理论基础
9.牛顿的《自然哲学中的数学原理》的内容不包括( )
A.确定了万有引力三定律
B.解释了潮汐现象
C.地球的圆扁形状
D.提出了光的本质是微粒的见解
10.牛顿在数学领域的成就同样突出,他创立( )
A.二次项定理B.微积分
C.解析几何学D.立体几何学
11.科学技术是人类探索自然的产物,一般认为我们今天所理解的科学和技术形成于17世纪。
实现了物理学史上第一次飞跃的是( )
A.电磁学理论的建立B.牛顿力学的建立
C.进化论的出现D.量子力学的建立
12.牛顿临终遗言:
“我好像是一个在海边玩耍的孩子,不时为拾到比通常更光滑的石子或更美丽的贝壳而欢欣鼓舞,而展现在我面前的是完全未探明的真理之海。
”下列说法正确的是( )
A.“石子”“贝壳”是量子理论和电磁学说
B.其理论深刻揭示了时间、空间的本质属性
C.牛顿的理论开辟了工业革命时代
D.牛顿尚未踏入自然科学的“真理之海”
13.阅读下列材料:
材料一:
正是在物理学领域,牛顿进行了最有意义的研究。
在这方面,他以伽利略的研究为基础,将后者的成果发展到辉煌的顶点。
伽利略主要关心的是地球的运动,牛顿则发现了有关宇宙本身的定律。
材料二:
伽利略发现,运动中的物体若无一定的外力使它转向,便做匀速直线运动。
这一发现要求人们必须解释:
为什么行星不易直线飞离,而趋于落向太阳,结果形成其椭圆形的轨道;为什么月亮同样趋于落向地球。
材料三:
牛顿已发现了一个数学上能证实的根本的宇宙规律……实际上,自然界好像是一个巨大的机械装置,按照通过观察、实验、测量和计算可予以确定的某些自然法则进行运转。
……因而牛顿的物理学分析方法现今开始不仅被应用于物质世界,而且被应用于思想知识的整个领域及人类社会。
正如伏尔泰(法国著名的启蒙思想家)所说的,“整个自然界、所有行星竟会服从永恒的法则,而且一种身高5尺的小动物竟能不顾这些法则,完全按照自己的怪想随心所欲地行动,这是非常奇异的”。
寻找决定人类事物的这些永恒法则,是法国革命之前的所谓的启蒙运动的实质。
——以上材料均摘自(美)斯塔夫里阿诺斯《全球通史》
请回答:
(1)据材料1、2简要指出牛顿经典力学诞生的客观条件。
(2)牛顿物理分析方法的特征是什么?
(3)据材料3,结合所学知识指出牛顿经典力学产生的影响。
14.阅读下列材料:
材料一:
①牛顿在进行光学实验。
②自然界和自然规律隐藏在黑暗中,上帝说,让牛顿出生吧!
于是一切都成为光明。
——蒲柏
③从数学开始到牛顿时代为止,数学工作由牛顿完成了一大半。
——莱布尼茨
材料二:
上中学时牛顿就喜欢做实验并记笔记,他将日常生活中发生的许多现象记录下来,还对所学的知识进行分类整理。
请回答:
(1)阅读材料1结合所学知识解释,牛顿如何从①③的方面使“自然界和自然规律”变成光明的。
(2)结合材料2归纳牛顿能使黑暗变成光明的原因。
课时作业参考答案
1.解析:
选D。
牛顿利用自制的反射望远镜,在考察行星运动和分析潮汐现象的基础上,预言地球不是正球体。
2.解析:
选A。
牛顿的专注和善于观察与思考是通向科研成功的途径之一。
3.解析:
选D。
本题属于情景材料式不完整表述选择题,主要考查牛顿的不同科学成就及其区别,解答的关键是准确提取题干材料中的有效信息。
牛顿的三大运动定律揭示了物体的运动规律,实现了物理学史上的第一次理论大综合,故D项符合题意;A项不属于牛顿的科学研究成果,B、C两项不符合“世界只有一个”的限制条件。
4.解析:
选C。
本题属于情景材料式不完整表述选择题,主要考查对历史现象的准确认识,解答时应注意运用辩证唯物主义的观点进行思考。
在牛顿生活的历史时代,宗教神学的思想观念依然具有重大影响,促使牛顿陷入宗教神秘思想而不能自拔,故C项符合题意;A项与“我们是他的仆人”等信息不符,B、D两项与牛顿的历史活动相悖。
5.解析:
选A。
大学时代的牛顿,提出了数学上的二项式定理和微积分的初步解决方法。
6.解析:
选C。
本题考查学生再认再现能力,牛顿吸收了开普勒和伽利略的成果提出了万有引力定律。
7.解析:
选A。
本题主要考查学生再认再现历史知识的能力。
牛顿在《关于光和色的新理论》这篇论文中提出了光的“微粒说”,与惠更斯的“波动说”共同构成光的两大基本理论。
8.解析:
选B。
《自然哲学中的数学原理》对自然界的力学现象作出了系统的、合理的说明,从而完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合,标志着近代科学的形成。
9.解析:
选D。
据所学可知,D项是牛顿1672年在论文《关于光和色的新理论》中提出的,符合题意要求。
10解析:
选B。
考查学生的识记能力。
牛顿在数学领域的成就主要是创立了微积分。
11.解析:
选B。
牛顿力学体系的建立标志着近代科学体系形成,因此也可称为物理学史上第一次飞跃。
12.解析:
选C。
本题主要考查学生对牛顿科学成果重要意义的准确理解。
电磁学说是麦克斯韦提出的有关光的新理论,爱因斯坦又提出了光量子论,A不正确;爱因斯坦的相对论是对时间、空间本质属性的深刻揭示,B不正确;牛顿的科学研究是对自然规律的深刻揭示,D不正确。
13.
(1)继承前人的科研成果;科技自身发展的要求。
(2)利用数学做完整的推演;注重实验。
(3)牛顿经典力学开创了物理学的新时代,推动了近代科学的发展;对社会意识形态的发展产生了巨大影响,为启蒙思想家探求人类社会的法则提供了科学理论依据。
14.
(1)光学方面:
自制折射望远镜,证明日光由七色光组成,进一步说明了物体颜色的形成原理,奠定了光谱学的基础;提出光的本质是微粒的见解,统领西方物理学界两个世纪,与荷兰惠更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本理论。
数学方面:
提出了数学上有名的二项式定理和微积分的初步算法。
(2)做实验,记笔记,积累知识,分类整理,将实验作为得出科学概念的主要途径;“归纳—演绎”法;忘我的勤奋探索精神。
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