牛顿有哪些成就

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nbsp;?牛顿被称为”物理学之父“，在力学、光学、数学等方面都取得了很大的成就，下面我们就来详细说说牛顿都有哪些成就。

详细内容

01

1687年的巨作《自然哲学的数学原理》，开辟了大科学时代。牛顿是最有影响的科学家，被誉为“物理学之父”，他是经典力学基础的牛顿运动定律的建立者。他发现的运动三定律和万有引力定律，为近代物理学和力学奠定了基础，他的万有引力定律和哥白尼的日心说奠定了现代天文学的理论基础。

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在力学上，牛顿阐明了动量和角动量守恒的原理，提出牛顿运动定律，对万有引力和三大运动定律进行了描述。在光学上，他发明了反射望远镜，他还系统地表述了冷却定律，并研究了音速。在数学上，牛顿与戈特弗里德·威廉·莱布尼茨分享了发展出微积分学的荣誉。他也证明了广义二项式定理，提出了“牛顿法”以趋近函数的零点，并为幂级数的研究做出了贡献。

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直到今天，人造地球卫星、火箭、宇宙飞船的发射升空和运行轨道的计算，都仍以这作为理论根据。在2005年，英国皇家学会进行了一场名为“谁是科学史上最有影响力的人”的民意调查，牛顿被认为比阿尔伯特·爱因斯坦更具影响力。对牛顿的毛发进行基因分析，认为牛顿是艾斯伯格症候群携带者，有XQ28基因的表现，这更增添了牛顿的神秘感，但并未影响到他巨人的形象。

牛顿有哪些研究成果

1643年1月4日，在英格兰林肯郡小镇沃尔索浦的一个自耕农家庭里，牛顿诞生了。牛顿是一个早产儿，出生时只有3磅重，接生婆和他的亲人都担心他能否活下来。但谁也没有料到，这个看起来微不足道的小东西以后会成为了一位震古烁今的科学巨人，并且竟活到了85岁的高龄。

牛顿出生前3个月父亲便去世了。在他两岁时，母亲改嫁给一个牧师，把牛顿留在外祖母身边抚养。11岁时，母亲的后夫去世，母亲带着和后夫所生的一子二女回到牛顿身边。牛顿牛顿自幼沉默寡言，性格倔强，这种习性可能来自他的家庭处境。

大约从5岁开始，牛顿被送到公立学校读书。少年时的牛顿并不是神童，他资质平常，成绩一般，但他喜欢读书，喜欢看一些介绍各种简单机械模型制作方法的读物，并从中受到启发。他喜欢自己动手制作些奇奇怪怪的小玩意，如风车、木钟、折叠式提灯等等。

传说小牛顿把风车的机械原理摸透后，自己制造了一架磨坊的模型，他将老鼠绑在一架有轮子的踏车上，然后在轮子的前面放上一粒玉米，刚好那地方是老鼠可望不可即的位置。老鼠想吃玉米，就不断地跑动，于是轮子不停地转动；有一次他放风筝时，在绳子上悬挂着小灯，夜间村人看去惊疑是彗星出现；他还制造了一个小水钟。每天早晨，小水钟会自动滴水到他的脸上，催他起床。他还喜欢绘画、雕刻，尤其喜欢刻日晷，家里墙角、窗台上到处安放着他刻画的日晷，用以验看日影的移动。

牛顿12岁时进了离家不远的格兰瑟姆中学。牛顿的母亲原希望他成为一个农民，但牛顿本人却无意于此，而酷爱读书。随着年岁的增长，牛顿越发爱好读书，喜欢沉思，做科学小实验。他在格兰瑟姆中学读书时，曾经寄宿在一位药剂师家里，使他受到了化学试验的熏陶。

牛顿在中学时代学习成绩并不出众，只是爱好读书，对自然现象有好奇心，例如颜色、日影四季的移动，尤其是几何学、哥白尼的日心说等等。他还分门别类的记读书笔记，又喜欢别出心裁地作些小工具、小技巧、小发明、小试验。

1661年，19岁的牛顿以减费生的身份进入剑桥大学三一学院，靠为学院做杂务的收入支付学费。1664年成为奖学金获得者，1665年获学士学位。

由于牛顿在剑桥受到数学和自然科学的熏陶和培养，对探索自然现象产生浓厚的兴趣，家乡安静的环境又使得他的思想展翅飞翔。1665~1666年这段短暂的时光成为牛顿科学生涯中的黄金岁月，他在自然科学领域内思潮奔涌，才华迸发，思考前人从未思考过的问题，踏进了前人没有涉及的领域，创建了前所未有的惊人业绩。牛顿见苹果落地而悟出地球引力的传说，说的也是此时发生的轶事。

在牛顿以前，天文学是最显赫的学科。但是为什么行星一定按照一定规律围绕太阳运行？天文学家无法圆满解释这个问题。万有引力的发现说明，天上星体运动和地面上物体运动都受到同样的规律——力学规律的支配。

早在牛顿发现万有引力定律以前，已经有许多科学家严肃认真地考虑过这个问题。比如开普勒就认识到，要维持行星沿椭圆轨道运动必定有一种力在起作用，他认为这种力类似磁力，就像磁石吸铁一样。1659年，惠更斯从研究摆的运动中发现，保持物体沿圆周轨道运动需要一种向心力。胡克等人认为是引力，并且试图推导引力和距离的关系。

哈雷1664年，胡克发现彗星靠近太阳时轨道弯曲是因为太阳引力作用的结果；1673年，惠更斯推导出向心力定律；1679年，胡克和哈雷从向心力定律和开普勒第三定律，推导出维持行星运动的万有引力和距离的平方成反比。

牛顿自己回忆，1666年前后，他在老家居住的时候已经考虑过万有引力的问题。最有名的一个说法是：在假期里，牛顿常常在花园里小坐片刻。有一次，像以往屡次发生的那样，一个苹果从树上掉了下来……

一个苹果的偶然落地，却是人类思想史的一个转折点，它使那个坐在花园里的人的头脑开了窍，引起他的沉思：究竟是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。

牛顿高明的地方就在于他解决了胡克等人没有能够解决的数学论证问题。1679年，胡克曾经写信问牛顿，能不能根据向心力定律和引力同距离的平方成反比的定律，来证明行星沿椭圆轨道运动。牛顿没有回答这个问题。1685年，哈雷登门拜访牛顿时，牛顿已经发现了万有引力定律：两个物体之间有引力，引力和距离的平方成反比，和两个物体质量的乘积成正比。

当时已经有了地球半径、日地距离等精确的数据供计算使用。牛顿向哈雷证明地球的引力是使月亮围绕地球运动的向心力，也证明了在太阳引力作用下，行星运动符合开普勒运动三定律。

在哈雷的敦促下，1686年底，牛顿写成划时代的伟大著作《自然哲学的数学原理》一书。皇家学会经费不足，出不了这本书，后来靠了哈雷的资助，这部科学史上最伟大的著作之一才能够在1687年出版。

牛顿在这部书中，从力学的基本概念（质量、动量、惯性、力）和基本定律（运动三定律）出发，运用他所发明的微积分这一锐利的数学工具，不但从数学上论证了万有引力定律，而且把经典力学确立为完整而严密的体系，把天体力学和地面上的物体力学统一起来，实现了物理学史上第一次大的综合。

随着科学声誉的提高，牛顿的政治地位也很快得到了提升。1689年，他当选为国会中的大学代表。作为国会议员，牛顿逐渐开始疏远给他带来巨大成就的科学。他不时表示出对以他为代表的领域的厌恶。同时，他的大量的时间花费在了和同时代的著名科学家如胡克、莱布尼兹等进行科学优先权的争论上。

晚年的牛顿在伦敦过着优越的生活。1705年他被安妮女王封为贵族。此时的牛顿非常富有，被普遍认为是生存着的最伟大的科学家。他担任英国皇家学会会长，在他任职的二十四年时间里，他以铁腕统治着学会。没有他的同意，任何人都不能被选举。

1727年3月20日，伟大的艾萨克·牛顿逝世。同其他很多杰出的英国人一样，他被埋葬在了威斯敏斯特教堂。他的墓碑上镌刻着：让人们欢呼这样一位多么伟大的人类曾经荣耀的在世界上存在。

280多年过去了，关于牛顿很多轶闻依然在民间流传着。据说，牛顿常常忙得不修边幅，往往领带不结，袜带不系好，马裤也不扣上纽扣，就走进了大学餐厅。有一次，他在向一位姑娘求婚时思想又开了小差，他脑海里只剩下了无穷量的二项式定理。他抓住姑娘的手指，错误地把它当成通烟斗的通条，硬往烟斗里塞，痛得姑娘大叫，离他而去。牛顿也因此终生未娶。

牛顿从容不迫地观察日常生活中的小事，结果做出了科学史上一个个重要的发现。但生活中他马虎拖沓，曾经闹过许多的笑话。一次，他边读书，边煮鸡蛋，等他揭开锅想吃鸡蛋时，却发现锅里放的是一只怀表。还有一次，他请朋友吃饭，当饭菜准备好时，牛顿突然想到一个问题，便独自进了内室，朋友等了他好久还是不见他出来，于是朋友就自己动手把那份鸡全吃了，鸡骨头留在盘子，不告而别了。等牛顿想起，出来后，看见盘子里的骨头，以为自己已经吃过了，便转身又进了内室，继续研究他的问题。

知识点

哈雷

哈雷，英国天文学家和数学家。曾任牛津大学几何学教授，并是第二任格林尼治天文台台长。哈雷生逢以新思想为基础的科学革命时代，1673年进牛津大学王后学院。1676年到南大西洋的圣赫勒纳岛测定南天恒星的方位，完成了载有341颗恒星精确位置的南天星表，记录到一次水星凌日，还做过大量的钟摆观测（南半球钟摆摆动的方向与北半球相反）。哈雷还发现了天狼星、南河三和大角这三颗星的自行，以及月球长期加速现象。

物理科学理论进行了哪5次理论大综合

力学方面的贡献

牛顿在伽利略等人工作的基础上进行深入研究，总结出了物体运动的三个基本定律（牛顿三定律）：①任何物体在不受外力或所受外力的合力为零时，保持原有的运动状态不变，即原来静止的继续静止，原来运动的继续作匀速直线运动。②任何物体在外力作用下，运动状态发生改变，其动量随时间的变化率与所受的合外力成正比。通常可表述为：物体的加速度与所受的合外力成正比，与物体的质量成反比，加速度的方向与合外力的方向一致。③当物体甲给物体乙一个作用力时，物体乙必然同时给物体甲一个反作用力，作用力和反作用力大小相等，方向相反，而且在同一直线上。这三个非常简单的物体运动定律，为力学奠定了坚实的基础，并对其他学科的发展产生了巨大影响。第一定律的内容伽利略曾提出过，后来R.笛卡儿作过形式上的改进，伽利略也曾非正式地提到第二定律的内容。第三定律的内容则是牛顿在总结C·雷恩、J·沃利斯和C·惠更斯等人的结果之后得出的。 牛顿是万有引力定律的发现者。他在1665～1666年开始考虑这个问题。1679年，R·胡克在写给他的信中提出，引力应与距离平方成反比，地球高处抛体的轨道为椭圆，假设地球有缝，抛体将回到原处，而不是像牛顿所设想的轨道是趋向地心的螺旋线。牛顿没有回信，但采用了胡克的见解。在开普勒行星运动定律以及其他人的研究成果上，他用数学方法导出了万有引力定律。 牛顿把地球上物体的力学和天体力学统一到一个基本的力学体系中，创立了经典力学理论体系。正确地反映了宏观物体低速运动的宏观运动规律，实现了自然科学的第一次大统一。这是人类对自然界认识的一次飞跃。 牛顿指出流体粘性阻力与剪切率成正比。他说：流体部分之间由于缺乏润滑性而引起的阻力，如果其他都相同，与流体部分之间分离速度成比例。现在把符合这一规律的流体称为牛顿流体，其中包括最常见的水和空气，不符合这一规律的称为非牛顿流体。 在给出平板在气流中所受阻力时，牛顿对气体采用粒子模型，得到阻力与攻角正弦平方成正比的结论。这个结论一般地说并不正确，但由于牛顿的权威地位，后人曾长期奉为信条。20世纪，T·卡门在总结空气动力学的发展时曾风趣地说，牛顿使飞机晚一个世纪上天。 关于声的速度，牛顿正确地指出，声速与大气压力平方根成正比，与密度平方根成反比。但由于他把声传播当作等温过程，结果与实际不符，后来P.-S.拉普拉斯从绝热过程考虑，修正了牛顿的声速公式。 数学方面的贡献 17世纪以来，原有的几何和代数已难以解决当时生产和自然科学所提出的许多新问题，例如：如何求出物体的瞬时速度与加速度？如何求曲线的切线及曲线长度（行星路程）、矢径扫过的面积、极大极小值（如近日点、远日点、最大射程等）、体积、重心、引力等等；尽管牛顿以前已有对数、解析几何、无穷级数等成就，但还不能圆满或普遍地解决这些问题。当时笛卡儿的《几何学》和瓦里斯的《无穷算术》对牛顿的影响最大。牛顿将古希腊以来求解无穷小问题的种种特殊方法统一为两类算法：正流数术（微分）和反流数术（积分），反映在1669年的《运用无限多项方程》、1671年的《流数术与无穷级数》、1676年的《曲线求积术》三篇论文和《原理》一书中，以及被保存下来的1666年10月他写的在朋友们中间传阅的一篇手稿《论流数》中。所谓“流量”就是随时间而变化的自变量如x、y、s、u等，“流数”就是流量的改变速度即变化率，写作等。他说的“差率”“变率”就是微分。与此同时，他还在1676年首次公布了他发明的二项式展开定理。牛顿利用它还发现了其他无穷级数，并用来计算面积、积分、解方程等等。1684年莱布尼兹从对曲线的切线研究中引入了和拉长的S作为微积分符号，从此牛顿创立的微积分学在大陆各国迅速推广。 微积分的出现，成了数学发展中除几何与代数以外的另一重要分支——数学分析（牛顿称之为“借助于无限多项方程的分析”），并进一步进进发展为微分几何、微分方程、变分法等等，这些又反过来促进了理论物理学的发展。例如瑞士J.伯努利曾征求最速降落曲线的解答，这是变分法的最初始问题，半年内全欧数学家无人能解答。1697年，一天牛顿偶然听说此事，当天晚上一举解出，并匿名刊登在《哲学学报》上。伯努利惊异地说：“从这锋利的爪中我认出了雄狮”。 牛顿在前人工作的基础上，提出“流数(fluxion)法”，建立了二项式定理，并和G.W.莱布尼茨几乎同时创立了微积分学，得出了导数、积分的概念和运算法则，阐明了求导数和求积分是互逆的两种运算，为数学的发展开辟了一个新纪元。 光学方面的贡献 牛顿曾致力于颜色的现象和光的本性的研究。1666年，他用三棱镜研究日光，得出结论：白光是由不同颜色(即不同波长)的光混合而成的，不同波长的光有不同的折射率。在可见光中，红光波长最长，折射率最小；紫光波长最短，折射率最大。牛顿的这一重要发现成为光谱分析的基础，揭示了光色的秘密。牛顿还曾把一个磨得很精、曲率半径较大的凸透镜的凸面，压在一个十分光洁的平面玻璃上，在白光照射下可看到，中心的接触点是一个暗点，周围则是明暗相间的同心圆圈。后人把这一现象称为“牛顿环”。他创立了光的“微粒说”，从一个侧面反映了光的运动性质，但牛顿对光的“波动说”并不持反对态度。1704年，他出版了《光学》一书，系统阐述他在光学方面的研究成果。 热学方面的贡献 牛顿确定了冷却定律，即当物体表面与周围有温差时，单位时间内从单位面积上散失的热量与这一温差成正比。 天文学方面的贡献 牛顿1672年创制了反射望远镜。他用质点间的万有引力证明，密度呈球对称的球体对外的引力都可以用同质量的质点放在中心的位置来代替。他还用万有引力原理说明潮汐的各种现象，指出潮汐的大小不但同月球的位相有关，而且同太阳的方位有关。牛顿预言地球不是正球体。岁差就是由于太阳对赤道突出部分的摄动造成的。 哲学方面的贡献 牛顿的哲学思想基本属于自发的唯物主义，他承认时间、空间的客观存在。如同历史上一切伟大人物一样，牛顿虽然对人类作出了巨大的贡献，但他也不能不受时代的限制。例如，他把时间、空间看作是同运动着的物质相脱离的东西，提出了所谓绝对时间和绝对空间的概念；他对那些暂时无法解释的自然现象归结为上帝的安排，提出一切行星都是在某种外来的“第一推动力”作用下才开始运动的说法。 《自然哲学的数学原理》牛顿最重要的著作，1687年出版。该书总结了他一生中许多重要发现和研究成果，其中包括上述关于物体运动的定律。他说，该书“所研究的主要是关于重、轻流体抵抗力及其他吸引运动的力的状况，所以我们研究的是自然哲学的数学原理。”该书传入中国后，中国数学家李善兰曾译出一部分，但未出版，译稿也遗失了。现有的中译本是数学家郑太朴翻译的，书名为《自然哲学之数学原理》，1931年商务印书馆初版，1957、1958年两次重印。

一、第一次物理学史上的大综合，诞生了牛顿的经典力学。

今天我们看来，古代物理学严格的讲还不能叫做物理学，因为它只是从一些朴素的自然界、社会、生产生活中所看到、听到、体验到的一些现象的简单归纳和总结出来的一些假说、假设、结论等等，还没有用到现代科学、现代物理学的基本的研究方法——即实验科学方法。而将实验科学的方法引入物理学领域的正是意大利的物理学家伽利略，将实验科学的方法引入物理学的研究领域这是伽利略对物理学的最大贡献，我们可以这样说，伽利略是近代物理学之父。他的贡献不仅是提出了实验科学这一物理学的研究方法，而且还创造性的用这个方法进行研究、归纳总结出一些重要的物理学结论和原理，为牛顿进行的第一次物理学大综合奠定了坚实的基础。

1582年伽利略利用实验科学方法发现了摆钟的“等时性原理”，否定了亚里士多德的“摆幅短需时少”的错误观点，这一年他刚入大学，只有18岁。1589年伽利略研究了落体运动与斜面问题，做了著名的“比萨斜塔实验”，否定了亚里士多德的关于“物体下落的速度与物体的重量成正比”的说法，得出了“物体下落的速度与物体的重量无关”的正确结论；这年他还做了著名的“斜面实验”，推理、归纳和总结得到了“惯性原理”，过了50多年，笛卡尔在1644年也清晰的叙述了这一点。伽利略对物理学的贡献有如下三个方面：（1）在物理学的研究中确立了以观察和实验为基础的研究方法。（2）在物理学的研究中首先运用实验与数学相结合的研究方法。（3)在物理学的研究中建立了一套完整的科学思想和研究方法。因此，伽利略是近代物理学的创始人，是近代物理学之父。从1601年开始德国天文学家开普勒师从丹麦天文学家第谷到捷克进行天文学的学习与研究，不过他们的师生情谊只有几个月时间，1601年只活了55岁的第谷撒手西归了，在逝世前第谷将自己近40年时间对于天体运动的详细准确的观察记录留给了开普勒。1571年出生的开普勒从30岁开始进行第谷的未竟事业，他的主要工作就是运用第谷的观则数据进行反复的计算，提出新的观点与理论。艰难的计算、枯燥的计算、精确的计算、长期的计算，10年之后的1809年开普勒出版了《火星之论述》，书中提出了行星运动的第一、第二定律。再过10年他在《宇宙和谐论》一文中提出了行星运动的第三定律。此外开普勒还发明了天文望远镜即折射式望远镜，开普勒行星运动三定律几乎是牛顿万有引力定律的直接前提。

牛顿曾经谦虚的说自己之所以能够取得一些成就，那是因为站在巨人的肩膀上。这些巨人应该就是伽利略、开普勒、胡克等人，牛顿在伽利略、开普勒等人的基础上把物体运动规律归结为三条基本的运动定律和一条万有引力定律，把过去一向以为截然无关的地上物体和天体运动规律统一起来，并且运用自己发明的数学理论微积分创立了完整的经典力学体系，完成了物理学历史上的第一次大综合。这年是1685年，43岁的牛顿出版了《自然哲学的数学原理》一书，将自己的研究成果在该书中进行了完整的阐述，建立了经典力学。从伽利略（1564-1642年）到开普勒（1571-1630年）到牛顿（1642-1727年），经过几代物理学家们的共同努力，终于完成了物理学的第一次大综合，成就了经典力学的理论以及有史以来最为伟大的物理学家牛顿。而且这种理论经过200余年的发展达到了完善的地步，谁也不去怀疑，谁也不会怀疑，现在我们中学所学习的物理学知识还是牛顿的经典力学。

二、第二次物理学的大综合确立了能量转化和守恒定律。

经典力学的体系建立起来了，随着科学技术与生产力的发展，特别是十八世纪末十九世纪初蒸汽机的发明和推广，促进了人们对于热的本质和热与机械运动的相互关系及能量转化问题的研究。热的本质是什么？最早十八世纪中叶的苏格兰科学家布莱克等人提出了“热质说”理论，认为热是由一种特殊的、没有重量的流体物质即热质或热素组成。一开始“热质说”就像“燃素说”一样可以解释一切热现象，因此为当时的一些物理学家们所接受，成为十八世纪热学中占统治地位的理论。

但是，好景不长，1798年英国一个工厂的技师汤普森（1753-1814年）即伦福德伯爵发现当用钻头钻炮筒时，炮筒和铁屑的温度同时升高了，钻头越钝产生的热量越大，他用一支钝得无法切削的钻头连续钻了20小时45分钟，致使18磅水达到沸点。这突然增加的“热质”从何而来？他在发现了“热质说”的缺陷后提出了唯动说。1827年苏格兰的植物学家布朗发现了“布朗运动”，从而证实了物质分子的永不停息的无规则运动。19世纪二十年代，法国工程师卡诺（1796-1832年）集中研究了蒸汽机即热机的内部矛盾问题，于1824年发表了《关于火的力学考查》一书，这是他一生发表的唯一著作。他提出了卡诺循环以及热机效率等问题，提出了热力学第二定律的基本内容。随着对热机的研究，19世纪四十年代有十几位不同的物理学家几乎同时提出了能量转化和守恒定律即热力学第一定律，彻底推翻了“热质说”，进一步导致了热学理论的系统化、完善化。六十年代英国的威廉.汤姆生（1824-1907年）以及德国的克劳修斯（1822-1888年）总结了卡诺的工作，分别提出了热力学第二定律。

通过焦耳、迈尔、亥姆霍兹、克劳修斯等一大批物理学家的共同努力，导致了热力学第一、第二定律的发现，特别是能量转化和守恒定律的建立，揭示了热、机械、电化学等各种运动形式之间的相互联系和相互转化的关系，从而实现了物理学的第二次大综合。这次大综合不仅由第一次动力革命而来，而且还直接引起了18世纪的工业革命，带来了生产力的巨大发展和社会领域的重大变革。

三、第三次物理学的大综合和统一电磁场理论的确立。

人们对于电磁本质的认识远远在力学、热学之后，这当然与现实生活和科学技术的发展水平有很大的关系。1600年英国的医生、物理学家吉尔伯特出版了《论磁石》一书，被认为是近代电学的开始，他创造了“电”这个名字，研究了磁石之间的引力。1660年德国的马德堡市的市长格里凯发明制成了第一个起电机，1709年豪克斯克改进了格里凯的起电机，并且能够得到较强的电火花。1729年英国人格雷引入了导体的概念。1745年荷兰莱顿大学教授马森布洛克（1692-1761年）发明了第一个蓄电器——莱顿瓶。美国人富兰克林（1706-1790年）在电学领域取得了突出的成就，他用实验证实了天上的雷电与起电机上产生的电是同样的；他创造了许多电学上的专门词汇如正电、负电、电容器、充电、放电、电击、电枢、电刷等概念，发明了避雷针；他还用平行板电容器解释了莱顿瓶的原理，建立了电现象的第一个理论。不过这一时期牛顿等巨人们的才智并没有用在对电磁学的研究方面，静电学理论的系统研究是从库仑开始的。

我们知道，一种理论只有将数学引入进来，从定性进入定量研究才能够形成精密、科学、系统、严谨的理论，而且任何理论都必须接受实验的检验，物理学的创立和发展就是这样。法国物理学家库仑（1736-1806年）原来是研究实用力学的，他在扭转力方面的研究取得了突出的成果，因而在1781年被当选为法兰西科学院院士，也正是他在扭转力方面的研究使他在静电学的研究领域取得了巨大的成功。1775年他利用扭秤原理制成了一个静电计，1785年库仑从大量实验中发现电力的增长与距离的平方成正比，从而进一步研究得出了我们大家熟悉的库仑定律，这个结论是库仑利用万有引力定律的公式进行类比推理而得到的。后来，库仑又把电荷之间的这一相互作用的规律推广到磁场，得到了磁极之间相互作用的规律。（事实上早在1771年英国的物理学家卡文迪许就研究通过实验得到了库仑定律的结果，只是没有发表出来，后来由麦克斯韦整理他的遗物时发现并发表）。库仑定律是电学中的第一个定量的定律，由于他把力学方法移植到了电学领域，打开了数学通向这个领域的道路，在数学的参与下，电学开始成为一门独立的学科。经过高斯、韦伯等物理学家们的共同努力，终于建立了以库仑定律、高斯定律和环流定律等三条基本电学定律为基础的静电学理论体系，构成了整个电学理论的基础。

物理学对于动电（即电流）的研究是从发现电池并且得到稳定电流开始的，1786年意大利波伦亚大学解剖学和医学教授伽伐尼（1737-1798年）从解剖青蛙的实验研究中提出了“动物电”的概念；1791年意大利帕维亚大学教授伏打（1745-1807年）两种不同的金属接触产生了微弱的电流，1794年他把铜片和锌片成对叠加40-30对，在这些金属间夹进盐水浸湿的布块，制成伏打“电堆”，产生可以连续通几个小时的“动电”即电流。这样伏打就制成了电池，而且立即在实践中得到了广泛的应用。伏打电池为科学研究提供了稳恒电流，也促进了科学理论的发展。经过德国的两位科学家欧姆（1787-1854年）、基尔霍夫（1824-1887年）等的共同努力，使“动电”的理论得以完整的建立好，并且为电磁学开启了新的研究领域。

对于电与磁的关系的研究是由奥斯特、安培、法拉第、特斯拉等人的卓越工作之下完成的。1820年7月21日，丹麦哥本哈根大学的物理学教授奥斯特在给高年级学生进行演讲所做的实验中，极其偶然的发现了电流的磁效应，他的发现使人们认识到电与磁不是独立无关的事件，而是有联系的。奥斯特的发现使当时的许多物理学家受到鼓舞并且开始沿着两个不同的方向开拓电磁学领域。思想敏锐的法国数学家、物理学家安培（1775-1853年）立刻懂得了奥斯特发明的重要意义，1820年9月他就转而研究电磁学问题。他先后得出了右手安培定则、左手安培定则以及磁场对电流的作用力的公式F正比于电流I,反比于R的平方。后来经过毕奥和沙伐尔等物理学家的共同努力，从宏观上奠定了电动力学的数学理论基础。

对于电磁关系的研究，另一个必须要提的是英国著名的自学成才、淡泊名利的物理学家法拉第（1791-1867年）。当奥斯特发现电流的磁效应之后，年轻敏锐的法拉第立即开始进入这个领域进行研究，1821年（时年20岁）法拉第在自己的日记中向自己提出的任务是“把磁变为电”。10年磨一剑，1831年8月29日法拉第的研究终于取得了突破，达到了“把磁变为电”的目的。从1831年起，他开始发表关于《电学实验研究》方面的论文，一直到1855年为止，详细的阐述了电力线、磁力线、电场、磁场以及电磁感应定律等方面的电磁学理论，为麦克斯韦经典电磁学理论的建立奠定了坚实的基础。

19世纪六十年代，麦克斯韦（1831-1879年）把从库仑定律开始一直到法拉第电磁感应定律等所有的电磁学理论系统进行系统的归纳和总结，在此基础上提出了联系电荷、电流和电场、磁场的4个偏微分方程组。他提出了位移电流的假设，认为不仅传导电流产生磁场，而且空间电场的变化也会产生磁场；同样，变化的磁场不仅在导体上产生感应电流，也会在空间产生电场。即变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，电场和磁场的相互转化产生电磁波。在这个理论的基础上他推导出电磁波在真空中的速度等与光在真空中的速度相等，在此的启发下，麦克斯韦又提出光的电磁场理论，即光是频率介于某一范围内的电磁波。在这个意义上，麦克斯韦把电磁、光现象的本质统一起来了，完成了物理学的第三次大综合。尽管麦克斯韦至死也没有看到电磁波，但是在他死了10年后，德国的物理学家赫兹通过实验产生了电磁波，并且计算出电磁波的波长，结果与麦克斯韦的理论完全吻合。应该说第三次物理学理论的大综合即电磁理论的建立对人类社会的影响是非常深远的，它直接导致了第二次动力革命。电力技术的发展是在电磁学有关理论建立起来以后自觉的运用科学原理并进行科学实验的结果。蒸汽时代的动力靠的是蒸汽机，而电力时代的动力靠的是电动机，从原始电动机到工业上应用的电动机人类花去了40多年的时间。先是研究发展直流电动机，之后是研究发展发电站（开始是住户式发电站），再后来是研究出单相交流发电机以及三相交流发电机，在此基础上又推动了输电技术的发展，最后我们得到了现在在工厂里广泛应用的能够产生动力的三相交流电动机，使工厂里的动力供应完全满足我们的需求。能源、动力技术的新突破，必将会引起工业技术乃至整个社会的大变革与大发展，电力的应用导致了第二次动力革命。下面我简单介绍一下电的其他一些应用。1、电报机的发明。（1）有线电报及其发明者莫尔斯。（2）无线电报及其发明者意大利的马可尼（1895年）和德国人布劳恩，此二人同获1909年的诺贝尔物理学奖。还有俄国人波波夫。2、电话的发明。1876年美国人贝尔在美国申请发明专利，1877年以后推广使用。3、电灯的发明。1879年美国人爱迪生发明的灯泡连续亮过45小时，取得决定性的突破，1880年发明的灯泡连续点亮超过1200小时，完全可以投入大批量生产和应用。1913年开始使用钨丝作为灯丝。

四、第四次物理学理论大综合与爱因斯坦的相对论。

我们知道，物理理论原来都是假设，用它解释一些物理现象与物理实验时，如果能够解释得清清楚楚、明明白白，而且还尽量的简单易懂，那么这个假设就可以成为理论。但是，如果有新的理论能够更好的解释这些现象时，这些新的假设就会成为理论，而原来的理论有可能成为谬误。这是不是有一点像“胜者为王，败者为侯?”随着科学技术的进步，工业社会的发展，世界的面貌日新月异。在科学研究的各个领域出现了许多新的发现与现象，原来的理论可能解释不了了，那就来一场革命吧！

19世纪末的有三次大的发现，即1895年德国的伦琴发现“伦琴射线”即“X射线”；1896年英国的汤姆生发现电子；1897年法国的贝克勒尔发现天然放射现象。还有黑体辐射和1888年发现的“光电效应”现象，特别是麦克尔逊-莫雷的实验，动摇了经典物理学的基础。为了解释新的物理现象和规律，必须抛弃牛顿的绝对时空观，建立新的物理理论。这是一个需要新人、需要巨人而产生新人、产生巨人的时代。天佑宇宙，天佑地球，在48岁的麦克斯韦死于癌症的那一年，又有一个伟大的巨人诞生了，他就是德国的物理学家阿尔伯特.爱因斯坦（1879-1955年）。第四次物理学理论的大综合就是由洛仑兹、彭加勒和爱因斯坦等物理学家完成的。

1887年迈克尔逊和莫雷的实验宣判了“静止以太”的不存在，同时也宣判了以太学说的死刑。1892年著名的物理学家洛仑兹提出了著名的“洛仑兹变换”，提出了“长度收缩假设”。与此同时彭加勒也在进行着变换性质方面的研究，他着重强调了相对性，在彭加勒的关于重要的物理学原理的表述中已经包含了相对论的思想了。在这些物理学家研究的基础上，爱因斯坦于1905年创立了狭义相对论。在1905年爱因斯坦一共发表了五篇论文，这五篇论文应该都可以获得诺贝尔物理学奖。第一篇是《分子体积的新测定方法》使其获得了苏黎世大学的哲学博士学位；《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，用普朗克提出的能量子理论解释了光电效应，为量子理论的发展做出了重大的贡献，获得1921年度的诺贝尔奖；《热的分子运动所要求静液体中悬浮粒子的运动》阐明了分子热运动可以直接观察的可能性，加上他在1906年发表的《关于布朗运动的理论》从理论上解释了1827年发现的布朗运动；《论物体的电动力学》建立了狭义相对论；这一年的第五篇论文是《物体的惯性同它所包含的能量有关吗？》作为相对论的一个推论，导出了质能相当的关系式E=CM2（即能量等于光速和质量的平方的乘积），在理论上为原子能的利用开避了道路。又经过8年多时间的艰苦探索于1916年创立了“广义相对论”，他提出了“一切物理定律在所有的惯性系中其形式保持不变的狭义相对性原理”和“引力场同参照系的相当的加速度在物理上完全等价”的广义等效原理，把物质和运动、时间和空间进一步统一起来，把物体的物理本质和时空的几何描述统一起来，完成了物理学的第四次大综合。

第五次物理学理论大综合与量子力学。

在普朗克量子学说的基础上，以爱因斯坦光量子理论为先导，1924年法国物理学家德布罗意提出和发展了波粒二象性的思想，提出了物质波的假设，指出一切物质微粒都像光一样，既有粒子性，又有波动性（这样的假设被后来的电子衍射实验所证实）。1926年奥地利物理学家薛定谔根据物质波的思想，建立了著名的薛定谔方程并且创建了波动力学。与此同时，丹麦的物理学家玻尔与德国的海森堡、波恩等从另一个角度建立了微观粒子的矩阵力学。德布罗意经过证明，他建立的波动力学与矩阵力学完全等效，故人们称它为量子力学。自此，人们对物理学世界的认识实现了由宏观领域到微观领域的飞跃，描述宏观现象的牛顿力学成了量子力学的一种极限情况，这是物理学理论的又一次大综合。

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