牛顿3大定律发现过程

牛顿3大定律发现过程
牛顿3大定律发现过程

牛顿3大定律发现过程
牛顿运动定律的创立过程]
约翰尼斯·开普勒在1609年发现行星沿椭圆形（而不是圆形）轨道围绕太阳运行.此后,科学家们便纷纷狂热地试图用数学方法解释这些轨道.罗伯特·胡克和约翰·哈雷都曾做过尝试,但他们两个人用的数学方法都没能奏效.
1642年艾萨克·牛顿出生于英国距离剑桥60英里的林肯郡.艾萨克是个难对付的孩子.在他出生前三个月父亲就去世了,他不喜欢继父,于是被送给外祖父母由他们抚养长大.然而牛顿不喜欢任何人——他不喜欢母亲,也不喜欢外祖父母,甚至连同母异父的弟弟和妹妹也不喜欢.他经常威胁说要打这些亲人,要把房子烧掉.在学校里,他经常违反纪律,让老师头疼.
只有一个人——威廉·艾斯库注意到牛顿的聪慧和潜能,他安排牛顿去三一学院（隶属于剑桥大学）学习.因为太穷支付不起昂贵的学费,牛顿就给其他学生当佣人来挣钱支付食宿的费用.他总是独来独往,神神秘秘,别人都说他经常板着面孔,喜欢与人争论.
1665年伦敦瘟疫爆发,剑桥大学被迫关闭,于是牛顿回到妹妹在乡下的庄园.庄园很闭塞,同时又缺少必要的数学工具描述不断变化的力量和运动——而这些又是他感兴趣的,因此他觉得十分沮丧.他决心弄清楚使物体运动（或静止）的力量.
除了阅读当时比较新的开普勒和哈雷的专著之外,牛顿还研读了伽利略和亚里士多德的著作.他搜集了早期希腊学者以来的研究结果和理论,这些理论都很零散,而且经常相互矛盾.他仔细筛选这些材料并把它们重新提炼,找出其中的普遍真理和谬误.牛顿非常善于从大量观点中筛选出包含真理的少数,他的这一才能让人称奇.
牛顿算不上是实验者,他喜欢思考问题,像爱因斯坦那样在脑海里做实验.他会长时间专注地想事情,直到得出他需要的答案.用他自己的话说,他会“把问题摆在面前,然后开始等待,一直等到出现第一缕曙光,接着渐渐变得清晰,最后豁然开朗”.
不久,一个问题开始困扰着牛顿：是什么力量导致了运动呢?他集中精力研究伽利略的自由落体定律和开普勒的行星运动规律.他痴迷到了废寝忘食的地步,身体几乎处于崩溃的边缘.
1666年初,牛顿创立了三大运动定律,这些定律为他发明微积分和发现地球引力创造了必不可少的条件.但直到20年后哈雷鼓励牛顿写《自然哲学的数学原理》时,牛顿才公布了他创立的三大定律.
1684年,让·皮卡尔第一次精确地求出了地球的大小和质量.有了这些必要的数字,牛顿就能证明：利用三大运动定律和他的重力方程式可以正确地计算出行星运动的真实轨道.即使有了确凿的数学证据,牛顿也只是在哈雷的请求和说服下于1687年发表了《自然哲学和数学原理》,发表这本书最主要的原因是罗伯特·胡克声称（错误地声称）,他自己已经发现了运动的普遍规律.《自然哲学和数学原理》成为科学史上备受推崇和人们经常使用的出版物.
牛顿运动定律是建立在绝对时空以及与此相适应的超距作用基础上的所谓超距作用,是指分离的物体间不需要任何介质,也不需要时间来传递它们之间的相互作用.也就是说相互作用以无穷大的速度传递.
除了上述基本观点以外,在牛顿的时代,人们了解的相互作用.如万有引力、磁石之间的磁力以及相互接触物体之间的作用力,都是沿着相互作用的物体的连线方向,而且相互作用的物体的运动速度都在常速范围内.
在这种情况下,牛顿从实验中发现了第三定律.“每一个作用总是有一个相等的反作用和它相对抗；或者说,两物体彼此之间的相互作用永远相等,并且各自指向其对方.”作用力和反作用力等大、反向、共线,彼此作用于对方,并且同时产生,性质相同,这些常常是我们讲授这个定律要强调的内容.而且,在一定范围内,牛顿第三定律与物体系的动量守恒是密切相联系的.
但是随着人们对物体间的相互作用的认识的发展,19世纪发现了电与磁之间的联系,建立了电场、磁场的概念；除了静止电荷之间有沿着连线方向相互作用的库仑力外,发现运动电荷还要受到磁场力即洛伦兹力的作用；运动电荷又将激发磁场,因此两个运动电荷之间存在相互作用.在对电磁现象研究的基础上,麦克斯韦（1831－1879）在1855～1873年间完成了对电磁现象及其规律的大综合、建立了系统的电磁理论,发现电磁作用是通过电磁场以有限的速度（光速c）来传递的,后来为电磁波的发现所证实.
物理学的深入发展,暴露出牛顿第三定律并不是对一切相互作用都是适用的.如果说静止电荷之间的库仑相互作用是沿着二电荷的连线方向,静电作用可当作以“无穷大速度”传递的超距作用,因而牛顿第三定律仍适用的话,那么,对于运动电荷之间的相互作用,牛顿第三定律就不适用了.如图所示,运动电荷B通过激发的磁场作用于运动电荷A的力为 （并不沿AB的连线）,而运动电荷A的磁场在此刻对B电荷却无作用力（图中未表示它们之间的库仑力）.由此可见,作用力在此刻不存在反作用力,作用与反作用定律在这里失效了.
实验证明：对于以电磁场为媒介传递的近距作用,总存在着时间的推迟.对于存在推迟效应的相互作用,牛顿第三定律显然是不适用的.实际上,只有对于沿着二物连线方向的作用（称为有心力）,并可以不计这种作用传递时间（即可看做直接的超距作用）的场合中,牛顿第三定律才有效.
但是在牛顿力学体系中,与第三定律密切相关的动量守恒定律,却是一个普遍的自然规律.在有电磁相互作用参与的情况下,动量的概念应从实物的动量扩大到包含场的动量；从实物粒子的机械动量守恒扩大为全部粒子和场的总动量守恒,从而使动量守恒定律成为普适的守恒定律.