学习初中物理必须知道的几个小故事

牛顿与苹果的故事

苹果与牛顿，不但有故事，而且还异常丰富，其中脍炙人口的“苹果落地”启发牛顿发现万有引力故事就有若干个版本：（来源：科学网蒋高明博客）

版本一：少年时代的牛顿发现苹果落地。牛顿，1642年12月25日生于英国林肯郡伍尔索普村的一个农民家庭。12岁他在格兰撒姆的公立学校读书时，就表现了对实验和机械发明的浓厚兴趣，自己动手制作了水钟、风磨和日晷等。苹果落地引起他的注意是偶然的。一个炎热的中午，小牛顿在他母亲的农场里休息，正在这时，一个熟透了的苹果落下来，这个苹果不偏不倚，正好打在牛顿头上。牛顿想：苹果为什么不向上跑而向下落呢？他问他的妈妈，他妈妈也不能解释。大凡科学家都保留一颗童心，牛顿更不例外，当他长大成了物理学家后，他联想到了少年的“苹果落地”故事，可能是地球某种力量吸引了苹果掉下来。于是，牛顿发现了万有引力。

版本二，青年时期的牛顿发现苹果落地。中世纪的1347-1345年间，欧洲爆发的“黑死病”夺取了近四分之一的欧洲人口，300年后，黑死病卷土重来，欧洲紧急疏散城市人口。正在剑桥大学三一学院读书的牛顿回到了他出生的家乡林肯郡的小村庄。为了排遣心中的苦闷，他经常到他父亲的庄园里读书和散步，有一天，一颗苹果从他经常散步的苹果树上落下来，引起了他的思考，苹果为什么会落地呢？他怎么不朝天上去呢？很定是有什么力在牵引着它。在苹果落地的启发下，他发现了万有引力。这大约是1666年的事情。

版本三，老年时期的牛顿发现苹果落地。目前流传较广的是经过大名鼎鼎的格林和伏尔泰之口说过的苹果落地故事，在读者心目中产生很大的影响，并广为流传。格林是在牛顿去世那一年在《哲学原理》一书中谈到苹果落地的故事的，他说：“有一天，牛顿在花园中思考问题，突然有一个苹果从树上落下，使得牛顿想到万有引力定律。”可是格林却是从福克斯那儿听到牛顿苹果落地的故事。法国的伏尔泰也是从牛顿的外甥女凯瑟琳·巴沃那儿听来的。在伏尔泰所著的《哲学通信》中，对苹果落地的故事这样写道：“牛顿回到剑桥大学附近的故居。有一天，他在花园中散步，看到一个苹果从苹果树上落下，这样使得牛顿想到许多科学家所研究而未获突破的重力起源问题。”这时的牛顿已经到了老年了。

最详细记载这个故事的人是英国人布雷斯特，他于1831年在《牛顿的生平》一书中又提到这一件事。后来，他在1855年又在《牛顿的生平、著作和发现的回忆》一书中提出此事。他是这样记载的：“苹果从沃尔斯索普的树上落下来，因而使牛顿想到这个问题。1814年，我在沃尔斯索普时，曾经看到这一棵苹果树，树的一部分已经开始枯萎，一部分树干已经脱离树根。到1820年，这一棵树已经完全腐朽而倒下去了。这一棵树的标本后来由伊·特纳小心地保存着。”

关于伊·特纳保存这一棵树的标本的故事，是他的曾孙在1939年告诉塔仑兹的。他的曾孙说，他的曾祖父伊·特纳到沃尔斯索普村牛顿的故居时，看到在原来枯死的苹果树的地方又补栽了新的苹果树，

而且补栽的苹果树已经结果了。至今，在英国仍有许多观光客到牛顿故居瞻仰这棵苹果树。

布雷斯特在牛顿的传记中，一方面记述了苹果落地启迪产生万有引力的思想，同时又对此表示怀疑。布雷斯特不相信苹果落地的故事是真实的，他认为在牛顿之前，已有不少科学家具有万有引力的观念，牛顿对此也应当知道的。也就是说，牛顿的万有引力观念可能来自前人。苹果落下是平常的现象，牛顿也可能看到苹果下落，但是苹果下落现象并不一定是启发牛顿发现万有引力定律的来源。布雷斯特在书中还指出：苹果落地的故事又经过大名鼎鼎的格林和伏尔泰之口说过，在读者心目中产生较大的影响，并广为流传。

格林是在牛顿去世那一年在《哲学原理》一书中谈到苹果落地的故事，他说：“有一天，牛顿在花园中思考问题，突然有一个苹果从树上落下，使得牛顿想到万有引力定律。”可是格林却是从福克斯那儿听到牛顿苹果落地的故事。法国的伏尔泰也是从牛顿的外甥女凯瑟琳·巴沃那儿听来的。在伏尔泰所著的《哲学通信》(发表于1733年)中，对苹果落地的故事这样说：“1666年，由于瘟疫流行，牛顿回到剑桥大学附近的故居。有一天，他在花园中散步，看到一个苹果从苹果树上落下，这样使得牛顿想到许多科学家所研究而未获突破的重力起源问题。”

伏尔泰认为牛顿在自然科学方面有很多贡献，而且对法国有很大的影响，所以应该把牛顿的创见介绍到欧洲大陆来。这就是伏尔泰在《哲学通信》和《牛顿的哲学思想》两本书里，以大量的篇幅介绍引

力理论的道理，同时也转述了苹果落地的故事。因此，苹果落地的故事也由英国传到欧陆，成为家喻户晓的科学佳话。

在牛顿逝世后不久，斯图克莱在他所著的《牛顿的生平传记》一文中写道：在1726年4月15日，我到牛顿的寓所去拜访他，和他在一起待了一整天。在谈话中，他向我谈起苹果落地的事。他说：“有一天，他在花园里思考引力问题的时候，一个苹果从树上落下来。这时候，他就想，为什么苹果总是垂直落向地面呢?为什么苹果不向外侧或向上运动，而总是向着地球中心运动呢?无疑地，这是地球向下拉着它，有一个向下的拉力作用在物体上，而且这个向下的拉力总和必须指向地球中心，而不是指向地球的其他部分。所以苹果总是垂直下落，或者总是朝向地球的中心。苹果向着地球，也可看成是地球向着苹果，物体和物体之间是相互朝着对方运动的。物体之间的作用力必须正比于它们的质量。这个力，我们称之为引力。”

斯图克莱是牛顿的好朋友，他所记述有关苹果落地的故事比较完整，而且和格林、伏尔泰不同的是，斯图克莱是直接从牛顿那儿引述的，而格林和伏尔泰则是从别人那里听来的。这是科学史上第一次直接来自牛顿的苹果落地故事，因此具有很大的权威性。

阿基米德与皇冠

传说古希腊的国王，想制一顶与泰尔的王冠一模一样的纯金王冠，便召见一位高明的首饰匠，向他说明了旨意，并如数让他称走了黄金。

过了一段时间之后，首饰匠如期将王冠交来，外表金碧辉煌，确实与泰尔的王冠完全相同，重量也恰如取走的黄金。国王按照自己原先的许诺，给了首饰匠重重的奖励。

但是那个首饰匠的举止行动像个骗子，被取去的黄金会不会偷换下来而掺进了别的金属？面对这个金色的王冠，国王的心一下子冷了！但是不把王冠熔化，又怎能判定黄金中是否掺了假？这么美丽辉煌的王冠，又怎么舍得再熔化？国王被这个难解的疑团日夜缠绕，寝食不安，终于卧病不起。

最后，他召见了阿基米德。阿基米德是当时最著名的智者。国王把这个难题交给了他：必须检验王冠是不是纯金制造，却又不准损坏王冠的一丝一毫。阿基米德苦思冥想，把所有想到的办法，都作了尝试，然而仍不能揭开王冠的秘密。他忘记了饮食、睡眠，忘记了洗澡、治病，痴痴迷迷，连梦中都叨念着：“王冠……国王……首饰匠……银子……金子……”几个星期以后，阿基米德蓬头垢面，妻子把他赶进了浴室里。当阿基米德浸入水中之后，突然感到自己的体重减轻了，只要轻轻用力，身体就能浮起……此时，他满脑袋的仍是王冠……国王……首饰匠……金子……银子……。身体一会儿沉下，一会儿浮上，浴盆的水位也一会儿升，一会儿降……

阿基米德忽翻身跳起，大声高呼：“有办法了，有办法了！”连衣

服也没穿，光着身子直向王宫奔去，路上留下一条湿漉漉的足迹……

你知道，阿基米德从水的浮力中得到了什么启示吗？

解：阿基米德根据身体在浴缸中沉浮引起了水位升降的道理，取了一只盛满水的容器，将王冠放进水中，容器里的水必然溢出。他把溢出的水收集在另一个容器里。接着他将一块与王冠同样重的纯金，也放进那个盛满水的容器中，再把溢出的水收集起来。如果王冠是纯金制成的，那么两次溢出的水应该同样多，可是王冠排出的水，与纯金排出的水并不同，说明王冠中掺进了比重与纯金不同的材料，从而断定金冠中被掺了假。阿基米德终于解决了难题。狡诈的金匠因此受到了惩罚。

伽利略与自由落体的实验

地面上重物的下落是人类最早观测到的自然现象之一。千万年来，人们根据自己的日常经验都认为重物下落得快，轻物下落得慢。古希腊学者亚里士多德更把这上升到“理论”：重的物体落地快，轻的物体落地慢。

真正对自由落体运动进行科学研究的是意大利物理学家伽利略（G．Galilei，1564—1642）。他在比萨大学任教期间，多次对亚里士多德的观点提出疑问，他巧妙地设计了一个“佯谬”：如果亚里士多德的论断成立，即重物比轻物下落速度大，那么将一轻一重的两个物

体拴在一起下落，“快的会由于被慢的拖着而减速，慢的会由于被快的拖着而加速”，因而它将以比原来那个重物小的速度下落，但这两个物体拴在一起要比原来那个重物更重些。这样，伽利略就从亚里士多德的重物较轻物下落得快的论断，导出了重物下落得更慢的结论。这表明“亚里士多德错了”。伽利略认为，只有假定重力加速度与物体的重量无关，才能消除这个矛盾。

伽利略向亚里士多德的挑战触怒了许多学者、教授，于是产生了流传广泛的斜塔实验故事。

比萨斜塔高179英尺，由于塔基问题，塔身发生倾斜，那正是理想的落体实验场所。伽利略为了证明他的论断，邀请了许多人到斜塔旁观看，有他的支持者，也有他的反对者。伽利略一手拿着一个1磅重的铅球，另一手拿着一个10磅重的铅球，一步一步地登上斜塔。到了塔顶，他向下作了个手势请观众注意，随即双手平举两个铅球让它们同时下落，最后“啪！”的一声，两个重量相差9倍的铅球同时落地。伽利略胜利了。

这个实验是否由伽利略操作，从当时的各种文献记载（包括伽利略本人的著作）中都无法得到证实。但重要的是，斜塔实验反映了当时的研究者们，对自由落体实验已有很深入的认识：①自由落体的速度极快，为了体现重物、轻物下落速度不同造成下落距离不同，必须有相当的高度以形成这种差别。这就是自由落体实验要在50多米高处的当地最高的建筑物上进行的缘故。②意大利各地的高塔不少，为什么流传下来的却是一个“斜塔实验”？这可能是千百次失败带来的

一个必然结果。由于伽利略当时名声显赫，崇拜者们就把斜塔实验的功劳归到他的头上。不过，下面的“斜面实验”确是伽利略亲自设计和操作的。

在垂直方向观测自由落体的落地，在当时的技术条件下是很困难的，因为即便在50多米高处下落的物体，到达地面也只要花3秒多钟。为了仔细观测重力作用下物体运动的特点，伽利略设计了一个能将运动时间“放大”的斜面实验。他在一块厚木板上刻一道槽，并将槽打磨得很光滑。再取一个坚硬、光滑并很圆的铜球，放在槽里滚动。抬高槽的一端，使槽倾斜，这样，铜球就在一个斜面上滚动。实验开始时，让铜球放在槽顶沿着槽滚下，并记录整个下滑时间。重复几次，“以便使测得的时间准确到两次测定的结果相差不超过一次脉搏的十分之一。进行这样的操作，肯定了我们的观察是可靠的以后，将球滚下的距离改为槽长的四分之一，测定滚下的时间，我们发现它准确地等于前者的一半。下一步，我们用另一些距离进行试验，把全长所用的时间与全长的二分之一、三分之二、四分之三，或者其他任何分数所用的时间相比较。像这样的实验，我们重复了整整100次，结果总是经过的距离与时间的平方成比例，并且在各种不同坡度下进行实验，结果也都如此……”伽利略在《两种新科学的对话》中所记述的这段话，已道出了匀加速运动中经过的距离与时间的平方成比例的基本规律。

根据斜面实验，伽利略还提出了惯性的概念。根据亚里士多德的物理学，保持物体匀速运动的是力的持久运动。但是，伽利略从小球

在水平面上运动的实验推测，如果没有摩擦力等阻力的作用，小球将保持匀速运动。这就奠定了近代关于物质惯性的基础。遗憾的是，伽利略没有定义匀速运动是在一条直线上的运动，因而没有最后完成惯性的近代定义。