牛顿和万有引力定律
什么是万有引力
任何两个物体之间都存在这种吸引作用。物体之间的这种吸引作用普遍存在于宇宙万物之间，称为万有引力。
万有引力被发现的原因
牛顿发现万有引力的原因有很多，主要因为以下几点。
(1)科学发展的要
求。在牛顿之前，有很多天文学家在对宇宙中的星星进行观察。经过几位天文学家的观察记录，到开普勒时，他对这些观测结果进行了分析总结，得到开普勒三定律：淤所有行星都绕太阳做椭圆运行，太阳在所有椭圆的公共焦点上。于行星的路径在相等的时间内扫过相等的面积。
盂所有行星轨道半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等。
开普勒三定律是不容置疑的，但为什么会这样呢？是什么让它们做加速不为零的运动？牛顿经过研究思考解决了这个问题：物体之间存在万有引力。当然，他发现万有引力定律是一个漫长而曲折的过程。
(2)个人原因。牛顿发现万有引力定律，虽然是科学发展的要求，生产力发展的原因。但我们不能忽略牛顿本人的一些因素：聪明、勤于思考、拥有一定的知识量。据《物理学史》说：牛顿在发现万有引力定律的那一段时间，真正地废寝忘食(每天魂不守舍，在食堂吃饭，饭碗在前，他在发呆。去食堂吃饭，却走错了方向。一些老师在校园后的沙滩上散步时，看见了一些古怪的算式和符号)。
1669年，他年仅27岁，就担任了剑桥的数学教授；还有1672年当选为英国皇家学会会员。英国皇家学会不是一般人能进去的，那是科学研究中心，里面都是一流的科学家。
万有引力是怎样被发现的
1666年，23岁的牛顿还是剑桥大学圣三一学院三年级的学生。看到他白皙的皮肤和金色的长发，很多人以为他还是个孩子。他身体瘦小，沉默寡言，性格严肃，这使人们更加相信他还是个孩子。他那双锐利的眼睛和整天写满怒气的表情更是拒人于千里之外。
黑死病席卷了伦敦，夺走了很多人的生命，那确实是段可怕的日子。大学被迫关闭，像艾萨克·牛顿这样热衷于学术的人只好返回安全的乡村，期待着席卷城市的病魔早日离去。
在乡村的日子里，牛顿一直被这样的问题所困惑：是什么力量驱使月球围绕地球转，地球围绕太阳转？为什么月球不会掉落到地球上？为什么地球不会掉落到太阳上？
在随后的几年里，牛顿声称这种事情已经发生过。坐在姐姐的果园里，牛顿听到熟悉的声音，“咚”的一声，一个苹果落到草地上。他急忙转头观察第二个苹果落地。第二个苹果从外伸的树枝上落下，在地上反弹了一下，静静地躺在草地上。这个苹果肯定不是牛顿见到的第一个落地的苹果，当然第二个和第一个没有什么差别。
苹果落地虽没有给牛顿提供答案，但却激发这位年轻的科学家思考一个新问题：苹果会落地，而月球却不会掉落到地球上，苹果和月亮之间存在什么不同呢？
第二天早晨，天气晴朗，牛顿看见小外甥正在玩小球。他手上拴着一条皮筋，皮筋的另一端系着小球。他先慢慢地摆小球，然后越来越快，最后小球就径直抛出。
牛顿猛地意识到月球和小球的运动极为相像。两种力量作用于小球，这两种力量是向外的推动力和皮筋的拉力。同样，也有两种力量作用于月球，即月球运行的推动力和重力的拉力。正是在重力的作用下，苹果才会落地。
牛顿首次认为，重力不仅仅是行星和恒星之间的作用力，有可能是普遍存在的吸引力。他深信炼金术，认为物质之间相互吸引，这使他断言，相互吸引力不但适用于硕大的天体之间，而且适用于各种体积的物体之间。苹果落地、雨滴降落和行星沿着轨道围绕太阳运行都是重力作用的结果。
人们普遍认为，适用于地球的自然定律与太空中的定律大相径庭。牛顿的万有引力定律沉重打击了这一观点，它告诉人们，支配自然和宇宙的法则是很简单的。
牛顿推动了引力定律的发展，指出万有引力不仅仅是星体的特征，也是所有物体的特征。作为所有最重要的科学定律之一，万有引力定律及其数学公式已成为整个物理学的基石。
当然，当时牛顿提出了万有引力理论，却未能得出万有引力的公式，因为公式中的“G”实在太小了，因此他提出：F=mM/r2。直到1798年英国物理学家卡文迪许利用着名的卡文迪许扭秤(即卡文迪许实验)较精确地测出了引力恒量的数值。
万有引力定律是牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中首先提出的。牛顿利用万有引力定律不仅说明了行星运动规律，而且还指出木星、土星的卫星围绕行星也有同样的运动规律。
他认为月球除了受到地球的引力外，还受到太阳的引力，从而解释了月球运动中早已发现的二均差、出差等。另外，他还解释了彗星的运动轨道和地球上的潮汐现象。根据万有引力定律成功地预言并发现了海王星。
万有引力定律出现后，才正式把研究天体的运动建立在力学理论的基础上，从而创立了天体力学。简单地说，质量越大的东西产生的引力就越大，地球的质量产生的引力足够把地球上的东西全部抓牢。
万有引力的伟大意义
17世纪早期，人们已经能够区分很多力，比如摩擦力、重力、空气阻力、电力和人力等。牛顿首次将这些看似不同的力准确地归结到万有引力概念里：
苹果落地，人有体重，月亮围绕地球转，所有这些现象都是由相同原因引起的。
牛顿的万有引力定律简单易懂，涵盖面广。
牛顿的万有引力概念是所有科学中最实用的概念之一。牛顿认为万有引力是所有物质的基本特征，这成为大部分物理科学的理论基石。
蕴含巨大能量的原子反应堆
原子能的和平利用标志着人类改造自然进入了一个新阶段。原子能是原子核发生变化时释放出来的能量，对同等质量的燃料来说，原子能要比化学能大几百万倍。
早在1929年，科克罗夫特就利用质子成功地实现了原子核的变换。但是，用质子引起核反应需要消耗非常多的能量，使质子和目标的原子核碰撞命中的机会也非常之少。
1938年，德国人奥托·哈恩和休特洛斯二人成功地使中子和铀原子发生了碰撞。这项实验有着非常重大的意义，它不仅使铀原子简单地发生了分裂，而且裂变后总的质量减少，同时放出能量。尤其重要的是铀原子裂变时，除裂变碎片之外还射出2~3个中子，这个中子又可以引起下一个铀原子的裂变，从而发生连锁反应。
1939年1月，用中子引起铀原子核裂变的消息传到费米的耳朵里，当时他已逃亡到美国哥伦比亚大学，费米不愧是个天才科学家，他一听到这个消息，马上就直观地设想了原子反应堆的可能性，开始为它的实现而努力。
费米组织了一支研究队伍，对建立原子反应堆问题进行彻底的研究。费米与助手们一起，经常通宵不眠地进行理论计算，思考反应堆的形状设计，有时还要亲自去解决石墨材料的采购问题。
1942年12月2日，费米的研究组人员全体集合在美国芝加哥大学足球场的一个巨大石墨型反应堆前面。这时由费米发出信号，紧接着从那座埋没在石墨之间的7吨铀燃料构成的巨大反应堆里，控制棒缓慢地被拔了出来，随着计数器发出了咔嚓咔嚓的响声，到控制棒上升到一定程度，计数器的声音响成了一片，这说明连锁反应开始了。这是人类第一次释放并控制了原子能的时刻。
1954年前苏联建成世界上第一座原子能发电站，利用浓缩铀作燃料，采用石墨水冷堆，电输出功率为5000千瓦。1956年，英国也建成了原子能电站。
原子能电站的发展并非一帆风顺，不少人对核电站的放射性污染问题感到忧虑和恐惧，因此出现了反核电运动。其实，在严格的科学管理之下，原子能是安全的能源。原子能发电站周围的放射性水平，同天然本底的放射性水平实际并没有多大差别。
1979年3月，美国三里岛原子能发电站，由于操作错误和设备失灵，造成了原子能开发史上空前未有的严重事故。然而，由于反应堆的停堆系统、应急冷却系统和安全壳等安全措施发挥了作用，结果放射性外逸量微乎其微，人和环境没有受到什么影响，充分说明现代科技的发展已能保证原子能的安全利用。
提供强大电流的发电机
发电机的发明，是以电磁学的创立为理论基础的。而奠定电磁学的实验基础的，是英国化学家和物理学家法拉第。
法拉第由于家庭贫困，只上过两年小学，12岁就上街卖报，13岁到一个书商兼订书匠的家里当学徒。他求知欲望十分强烈，利用订书的空闲时间，如饥似渴、废寝忘食地阅读了许多有关自然科学方面的书籍。
他在听过大化学家戴维的科学讲演以后，把整理好的讲演记录送给戴维，并且附信，表明自己愿意献身科学事业，同时“毛遂自荐”，结果如愿以偿，22岁时，他当了戴维的实验室助手。
1820年，奥斯特发现了电流对磁针的作用，法拉第敏锐地认识到它的重要性。
1821年，法拉第在日记中写下了一个设想：用磁生电。到1831年他终于发现，一个通电线圈产生的磁力虽然不能在另一个线圈中引起电流，但是当通电线圈的电流刚接通或中断时，另一个线圈中的电流指针有微小偏转。
法拉第抓住这个发现反复做试验，证实了当磁作用力发生变化时，另一个线圈中就有电流产生。
法拉第发现线圈在磁场运动中可以产生电流，指明了制造发电机的原理。
按照这个原理，最初制造的几种发电机都用永久磁铁提供磁场，用蒸汽机带动线圈转动。
从1840年到1865年，已经有庞大笨重的永久磁铁发电机在运转。这种发电机的磁场太弱，发电效率很低。
1866年，德国工程师西门子发明了一种发电机，它能够提供强有力的电流。
西门子年轻的时候曾经在炮兵部队中工作，熟悉新发展起来的电报。1847年他成立西门子公司，从事生产电报设备和建立电报线路的工作。西门子公司不单是生产现成设备，它还有科学实验室。这个实验室发明了用于电报线的树胶绝缘体和电报装置中的电枢引铁等。实验室的种种发明大大推动了公司的业务活动。
为了解决德国电镀工业对电力的大量需要，在西门子的指导下，1866年公司实验室研制成功用电磁铁代替永久磁铁的自激磁场式发电机。这种新型发电机效率高，发电容量大，成为现代电力工业的基石。
人有了发电机，发电厂相继建立起来，输电网也随着出现。发电机的诞生标志着人类开始进入电气时代。
因水壶而诞生的蒸汽机简介
詹姆斯·瓦特是英国着名的发明家，是工业革命时期的重要人物。英国皇家学会会员和法兰西科学院外籍院士。他对当时已出现的蒸汽机原始雏形做了一系列的重大改进，发明了单缸单动式和单缸双动式蒸汽机，提高了蒸汽机的热效率和运行可靠性，对当时社会生产力的发展做出了杰出贡献。他改良了蒸汽机、发明了气压表、汽动锤。后人为了纪念他，将功率和辐射通量的计量单位称为瓦特，常用符号“W”表示。
在瓦特的讣告中，人们对他发明的蒸汽机有这样的赞颂：
“它武装了人类，使虚弱无力的双手变得力大无穷，健全了人类的大脑以处理一切难题。它为机械动力在未来创造奇迹打下了坚实的基础，将有助并报偿后代的劳动。”
水壶启示
随着智育的发展，瓦特对客观存在的一些事物都产生了浓厚的兴趣，产生了好奇和钻研之心。这为他以后发明蒸汽机打下了良好的基础。
在瓦特故乡的小镇子上，家家户户都是生火烧水做饭。对这种司空见惯的事，有谁留过心呢？瓦特就留了心。他在厨房里看祖母做饭，灶上坐着一壶开水。
开水在沸腾，壶盖啪啪啪地作响，不停地往上跳动。瓦特观察好半天，感到很奇怪，猜不透这是什么缘故，就问祖母说：“什么玩意使壶盖跳动呢？”
祖母回答说：“水开了，就这样。”
瓦特没有满足，又追问：“为什么水开了壶盖就跳动？是什么东西推动它吗？”
可能是祖母太忙了，没有功夫回答他，便不耐烦地说：“不知道。小孩子刨根问底地问这些有什么意思呢？”
瓦特在他祖母那里不但没有找到答案，反而受到了冤枉的批评，心里很不舒服，可他并不灰心。
连续几天，每当做饭时，他就蹲在火炉旁边细心地观察着。起初，壶盖很安稳，隔了一会儿，水要开了，发出哗哗的响声。蓦地，壶里的水蒸气冒出来，推动壶盖跳动了。蒸气不住地往上冒，壶盖也不停地跳动着，好像里边藏着个魔术师，在变戏法似的。瓦特高兴了，几乎叫出声来。他把壶盖揭开盖上，盖上又揭开，反复验证。他还把杯子、调羹遮在水蒸气喷出的地方。瓦特终于弄清楚了，是水蒸气推动壶盖跳动，这水蒸汽的力量还真不小呢。
就在瓦特兴高采烈的时候，祖母又开腔了：“你这孩子，不知好歹，水壶有什么好玩的，快给我走开！”
他的祖母过于急躁和主观了，这随随便便不放在心上的话，险些挫伤了瓦特的自尊心和探求科学知识的积极性。年迈的老人啊，根本不理解瓦特的心，不知“水蒸气”对瓦特有多么大的启示！水蒸气推动壶盖跳动的物理现象，不正是瓦特发明蒸汽机的认识源泉吗？
瓦特对蒸汽机的最初设想
1764年，学校请瓦特修理一台纽可门式蒸汽机，在修理的过程中，瓦特熟悉了蒸汽机的构造和原理，并且发现了这种蒸汽机的两大缺点：活塞动作不连续而且慢；蒸气利用率低，浪费原料。以后，瓦特开始思考改进的办法。直到1765年的春天，在一次散步时，瓦特想到，既然纽可门蒸汽机的热效率低是蒸气在缸内冷凝造成的，那么为什么不能让蒸气在缸外冷凝呢？瓦特产生了采用分离冷凝器的最初设想。
在产生这种设想以后，瓦特在同年设计了一种带有分离冷凝器的蒸汽机。
按照设计，冷凝器与汽缸之间有一个调节阀门相连，使它们既能连通又能分开。
这样，既能把做功后的蒸气引入汽缸外的冷凝器，又可以使汽缸内产生同样的真空，避免了汽缸在一冷一热过程中热量的消耗。据瓦特理论计算，这种新的蒸汽机的热效率将是纽可门蒸汽机的三倍。
从理论上说，瓦特的这种带有分离冷凝器的蒸汽机显然优于纽可门蒸汽机。
但是，要把理论上的东西变为实际的东西，把图纸上的蒸汽机变为实在的蒸汽机，还要走很长的路。
瓦特辛辛苦苦造出了几台蒸汽机，但效果反而不如纽可门蒸汽机好，甚至还四处漏气，无法开动。尽管耗资巨大的试验使他债台高筑，但他没有在困难面前停步，继续进行试验。