牛顿发现万有引力的思维过程探析
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摘 要：万有引力的发现是牛顿善于观察与想象，善于联系、融合各学科知识及前人的研究成果，长期思考与研究的结果。文章从人们认识不到引力的事实及原因进行分析，构造、探讨地球对其上的苹果等物体、对空中附近物体和月球有吸引力，进而指出星体之间、任何两个物体之间有吸引力，证明万有引力存在的思维过程。
关键词：万有引力;牛顿;苹果落地;科学思维;吸引力
中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：1008-3561（2020）15-0034-02
著名的科学家牛顿看到苹果从树上掉下来落在地上，想到为什么不往天上“飞”，也不横着“跑”，经过反复观察与研究，终于发现万有引力的故事在我国家喻户晓。可是学生虽然听了很多遍，却未必能引起他们的深思。为此，笔者对牛顿发现万有引力的思维过程进行探讨。
一、人们认识不到引力的事实及原因分析
自古人们就知道物体有重量，亚里士多德在两千多年前就提出物体往下掉落的原因是其有重量。人们在17世纪早期就已经知道重力，认识到地面上的物体都受重力的作用竖直向下落（只是没认识到它是由引力而产生的）。正是无数的人看到了无数的从树上或高处掉落下来的果子等物体，而没有认识到引力的原因，让不少人怀疑此故事真实性。
其实，真正认识到地球对苹果有吸引力或万有引力是很困难的。不然的话，也不会等到牛顿去发现。笔者愚钝，听了故事犹坠云雾之中，甚至学了高中和大学物理也只是为了考试而被动接受，并没有真正认识到引力的存在。而且被故事中的一句“反复地观察与研究，终于……”打入了“苦海深渊”，这使笔者沉思、苦苦探索了很长时间。笔者认为，牛顿有可能是受到苹果落地的启发发现了地球对苹果的吸引力。那别人为什么认识不到呢？大多数人之所以看不到引力，一是由于生活在一个小圈子里，看问题受到了局限，做不到多方位、全面地看问题;二是不能把问题与已知的事实相联系，缺乏想象力和思维力。
二、发现万有引力的思维过程分析
1.地球和它上面的物体都有相互吸引力
（1）地球对苹果有吸引力。牛顿发现地球对苹果有吸引力，是充分发挥其想象力，多方位观察、思考的结果。首先，地球是球形的，不同地方苹果树上的苹果掉下来落在树所在的地上，但落地的方向不一致。其次，联想到生活中，人们经常把东西从下方提到上方。如用绳子拴上水桶到井里去提水，人们得用力拉绳子才能将水桶提上来。与此类比，地球下方的苹果，应该有一根无形的绳子把它拉了上来，这种拉力就是地球对苹果的吸引力。那怎样去验证上述想象与思考呢？牛顿充分展现了他的抽象思维能力，将地球抽象为地球模型（如地球仪）并安装上苹果树的模型进行了验证。如规定了地球模型上某地为上方后，若不给模型下方的苹果模型一个向上的力的作用，是落不到地球模型上去的。再次，虽然验证了想象与思考是对的，但这与人们司空见惯的、由于重量（力）而使物体往下落的认识产生了矛盾。牛顿通过对地球模型上的苹果模型落向和是否需要外力的比较与思考，认识到苹果的重量或所受重力是由于地球对它的吸引力而产生的，且指向地球中心，这就认清了重力的来源和实质，坐实了苹果落地是地球对其有吸引力的结果，实现了认识上的一次飞跃。（2）类比推广——地球和它上面的物体都有相互吸引力。在认识了地球对苹果有吸引力的基础上，进行类比推广，得到地球对地球上的物体，如人、牛、羊、桃、梨、石头等所有物体都有吸引力。再根据作用力与反作用力的关系，得出地球和它上面的物体之间都有相互吸引力。
2.联想类比与推广——星体之间有引力
那牛顿又是怎样把它发展到天体上去的呢？笔者认为，牛顿进行了以下推广。
（1）地球与空中附近物体之间有引力。上面的推广，物体毕竟在地球上或与地球相连（如苹果通过树枝树干与地球相连），否则的话是否也有引力呢？联想到离地球比较近的云，有时下冰雹、雨滴、雪花。冰雹是有重量的，虽然一滴雨滴、一片雪花感觉不出重量，当积累起来也有重量，所以雨滴、雪花都有重量。因此，它们也是受到地球的吸引力才落下来的。从而得出：地球和空中附近的物体之间也有相互吸引力。（2）地球与其他星体之间有引力。在进行了上述思考后，牛顿想到离地球再远的物体（如星体）是否也受到地球的引力作用呢？联想到有的星星成为流星掉下来落到地上成为陨石，且陨石也有重量，这就说明它也是受到地球的吸引力才落地的。于是，牛顿猜想：不管星体离地球多远都受到地球对它的吸引力作用。因此，月亮也应该受到地球对它的吸引力作用，可它为什么不落地呢？这促使他进一步进行探讨。首先，巨人肩上寻原因。之前，伽利略证明了行星的运转，开普勒提出了行星运转的三大定律，解决了月亮绕地球做近似圆周运动及地球对月球吸引的问题。牛顿受此启发猜想：月亮不落地是它绕地球做圆周运动的原因。其次，联想类比与证实。牛顿联想到小时候经常玩的游戏，一头拴着小石头的绳子，一头拿手中，但可以牵引着小石头在空中绕着手做圆周运动，石头虽有重量但不落地。倘若一撒手（失去了牵引力），石头就不再做圆周运动，会沿切线方向飞出去，然后在地球引力（或重力）的作用下落地。而且在同一方向飞出去的小石头（如都从最高点飞出去），转得越快飞得越远。这会让人想象到，如果转得很快很快，小石头就将不再落到地面上，而是围绕地球旋转起来;要是地球没有引力，这石头就会沿切线方向照直飞去。于是，牛顿进行类比猜测：月亮绕地球做近似的圆周运动，应该是地球像手牵引石头一样，用一根看不见的绳子牵引着月亮绕自己运动，即地球对月球有吸引力。牛顿想月亮不落下来，也不跑，做圆周运动的原因是绕地球运行所需的向心力等于离心力，而向心力就是地球对月球的吸引力。至此，牛顿凭借他丰富的想象力和思维能力，认为月亮运行也是引力作用的结果，这和地球吸引苹果的力是同一种性质的力，达到了认识上的又一次升华。牛顿再根据作用力与反作用力的关系，月球对地球也有吸引力，进而推出，不管星体落不落地，也不管星体离地球多远，地球和其他星体之间都有相互吸引力。（3）星体之间有引力。开普勒曾提出太阳伸出一只看不见的巨大的手拉着行星跟太陽一起旋转。胡克推测太阳对所有星球和地球产生一种吸引力，使它们围绕太阳运动。站在他们的肩上，牛顿又把上述研究结果类比推广到了所有的天体之间。地球等星体围绕太阳旋转，它们之间有相互吸引力;地球等星体带着绕它们旋转的月球等星体也绕太阳旋转，从而太阳与月球等星体之间也有相互吸引力。牛顿进而类比得出：任何两个星体之间都有相互吸引力。 3.返回地球再類比——万物之间有引力
牛顿在解决了天体之间的相互吸引力后，又类比到地球上来，提出了地球上两个物体之间都有相互吸引力（后来的科学家证实了这一点）。至此，牛顿得到了不论天上地下，宇宙中任何两个物体之间都具有相互吸引力——称为万有引力。而后，他借助前人的研究成果和自己深厚的数学功底，推导出了计算引力的公式——万有引力定律公式。这样，就实现了地面上物体运动和天体运动规律的统一，地面上的力学和天文学上的力学的统一，筑起了人们探索宇宙奥妙的天梯。
综上可知，万有引力的发现是牛顿善于观察与想象，善于联系、融合各学科知识及前人的研究成果，长期思考与研究的结果，是其科学思维的结晶，绝不是一个苹果落地就能解决的。当然，上述思维过程是笔者多年来探讨、构造的结果，未必是牛顿的思维过程，目的是给人以更多的启迪。
参考文献：
[1]郭奕玲，沈慧君.物理学史[M].北京：清华大学出版社，2003.
[2]励箭生.关于万有引力定律的推证[J].物理教学探讨，2010（10）.
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[4]薛晓明.探究牛顿发现万有引力的创新思维[J].陕西教育，2008（01）.
Discuss on Newton's Thinking Process of
Discovering Gravitation
Liu Xiansheng
（College of Science，Binzhou University， Binzhou 256600， China）
Abstract： The discovery of universal gravitation is the result of Newton's long-term thinking and research， which is good at observation and imagination， good at connecting and integrating knowledge of various disciplines and previous research results. This paper analyzes the facts and causes of people's unawareness of gravity， constructs and probes into the attraction of the earth to the apple and other objects on it， the objects near the sky and the moon， and points out the attraction between stars and any two objects， proving the thinking process of the existence of gravity.
Key words： gravitation; Newton; apple landing; scientific thinking; attraction
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