不仅如此，牛顿在小学的时候，还自己琢磨着造出一架“计时水钟”。这是一个灌满水的小木桶，木桶的底下有一个小孔，用塞子紧紧塞住，打开小孔的塞子，让水一滴一滴地缓缓滴下。木桶里的水面逐渐下降，水面的浮标也随着慢慢下降，并带着指针在均匀的刻度盘上一点点的移动，从而指示着各个时刻。当桶里的水滴尽的时候，恰恰就是中午的时刻。牛顿创造的这个装置虽然被看做是孩童的小玩意，但它却体现了牛顿的好奇心和灵巧的制作。人们对小牛顿的善于开动脑筋的好奇心都称赞不已。
牛顿在12岁那年，进了格兰瑟姆中学。到中学后，牛顿依然保持自己的兴趣不变，他继续发展了对手工制作和机械方面的爱好。他经常独自一人钻在自己的小屋子里，制作各种各样的小玩艺。最成功的制作是风筝，他给班级的同学每人做了一个风筝，他做的风筝，不仅外形美观好看，而且在拉线的力点和尾巴的重量上都很有讲究，因而他做的风筝起飞得特别快而且飞得也高。这体现了牛顿在力学方面的天才素质。有一次，他把一只纸灯笼点着火，系在他的风筝尾巴上，夜里把它放到高高的天空，就好像一颗巨星升在空中。村民们竞相观看，都很惊奇和恐惧，他们认为这是一颗新出现的扫帚星。这时牛顿跑过来告诉他们，这不是什么扫帚星，是他的风筝！人们才放下心来。当人们得知这是牛顿搞的名堂后，又禁不住交口称赞这孩子的发明创造本领。
在格兰瑟姆镇上有一座高大的风车，人们安装它是为了利用风力来磨面粉。牛顿从学校放学回来路过这里，当他看到这东西的时候，就禁不住地仰着脖子用心地观察风车的转动。边看边琢磨，最后他终于弄懂了风车的工作原理。回家后他也照葫芦画瓢地做了一架小风车，风一吹，叶片转动，加一点儿麦粒进去就能像大风车一样磨出面粉来。可是，风车没有风就不能转动，这不好，太不方便了，于是牛顿又想出了新招，他用铁丝做了一个圆笼子，里面关着一只老鼠，当老鼠踩动轮子时，磨就飞快地转动，居然也能磨出面粉来。
有一天，牛顿把自己的小风车拿到学校去给同学们看，一下子吸引了好多学生。正当同学们议论纷纷的时候，一个学习成绩一向很好但十分骄傲的学生跑过来，他一边盛气凌人地夺过小风车摔在地上，一边又用语言加以讥讽，带头起哄。这使牛顿气愤到了极点，与那个同学厮打了起来，这个平日里沉默寡言的牛顿，把那个优等生打得落花流水。从此，牛顿暗暗下定决心，发愤图强，不久，牛顿的学习成绩就在全班名列前茅。
1661年6月，牛顿以优异的成绩考入了剑桥大学三一学院。格兰瑟姆中学的校长斯托克斯先生深知，牛顿是一个难得的天才，他向剑桥大学输送了一名很有希望、很有前途的学生。为此，斯托克斯先生特别召开全体学生大会表彰牛顿，他以父亲般的骄傲把他心爱的学生列为学校的高材生，他眼中闪动着泪水，赞扬牛顿的性格和特殊的才华。
揭开光谱的秘密
光与人们的生活和生产极为密切，它能引起人们的视觉，人们就是借助光来观察世界，从事各种各样的重要工作的，而光又是人们通常用到的一种最普遍的自然现象，因此光的作用是非常大的。光既然这么重要，那么少年朋友们，你们知道光是怎样产生的，它又有哪些性质呢？
我们知道有许多物体，像太阳、电灯、火炬、萤火虫等，它们都能自己发出光来，在物理学上，我们把这种自己能发光的物体称为光源。生活在远古的人类祖先，是以太阳为光源的，到了黑夜就无能为力了。黑暗给人以可怕可恶的感觉。经过漫长的岁月，人们发现火也能提供光和热，开始时，人们使用天然火，后来，人们学会了利用竹、松脂等制成火炬来作为人造光源。用油灯作为光源的历史在中国也是很悠久的。蜡烛作为光源是后来中国人发明的，战国时期，人们已经知道用纤维或竹心外裹着层层蜜蜡制成了一种叫“蜜烛”的蜡烛。据分析，墨家做光学实验时，用的就是这种蜜烛。直到近代光源——电灯发明以前，在很长时间里，以不同形式出现的火，一直是人们惟一可用的人工光源。通过对光的长期观察，人们发现，只有借助光源发出的光才能引起人们的视觉。
有了光源，就能产生光，光是一种奇特而又重要的物质，它有很重要的性质。远在公元前4世纪，墨翟和他的弟子们做了世界上最早的针孔成像实验，这个实验的结果告诉我们：光照在人身上就像射来的箭一样，是沿直线进行的，而不走曲线。从人体下部射出来的光线，射到屏幕的高处；从人体上部射出来的光线，射到屏幕的低处。从脚部射向低处的光线被针孔所在的屏壁遮蔽，因此脚部成像于屏幕的高部位；从头部射向高处的光线，被屏壁遮蔽了，因此头部成像于屏幕的低部位。人所在的位置离小孔由远而近，则屏幕上的像由小变大。由于从人体射出并穿过小孔投到屏幕上的一切光线都在小孔处交于一点，所以屏幕上的像是倒立的。这是光的直线传播的最早的科学解释，也是世界上对小孔成倒像的第一次实验验证。远在公元前4世纪，墨家就知道用小孔成像的实验来验证光的直线传播特性，实在是一种惊人的科学创举。
光是沿直线传播的，但是在前进的方向上遇到不透明的物体时，就会改变路径被反弹回来，这种现象就叫光的反射，这种不透明的物体叫镜子。光线不能穿透镜子，镜面成像就是光线反射的结果。我们知道，只要对着光滑的平面就可以照见自己的形象，人们最初是利用静止的水面作为光的反射面，当做镜子使用，从水中看到自己的形象，进行整理梳洗，这些都是光的反射作用给人们带来的方便。那么，光的路径的改变是不是就这一种方法呢？不是的，光还有一种改变传播路径的方法，叫折射。
光在某种物质中能被弯曲，可见光能穿透它们，这种物质我们统一叫做透明物质。关于光能穿过透明体的折射现象，中国古代人民早有所知，有史料记载说“削冰令圆，向日取火”，历代都被人们所怀疑。冰在太阳光下，遇热会融化，怎么可能将光线聚集起来进行点火取暖呢？清代科学家郑光复曾经做过实验进行验证。他用一底部微凹的锅壶，里面装上沸水，将壶放在冰上转动，制成一块表面光滑的凸透镜。把它放在强烈的阳光下，果然能把放在冰透镜后面焦点处的纸煤点燃。这个实验实际上是很难成功的，但是，2000年前的中国古代人们就已成功地做出这样的实验，真可以说是巧夺天工的发明创造。据说17世纪著名英国科学家胡克也曾经做过这个实验，当时的科学家们对他赞叹不已，可是，他们哪里知道，早在一千多年前中国人就成功地做过这样的实验。由于用冰做成的透镜不会长久，所以就没有什么使用价值。这个实验是光的折射现象的很好说明，当光线照射到冰（透明物体）上时，就要改变传播路线，发生折射，折射后的光线要通过焦点，所有的光线经冰折射后都会聚集到焦点上，所以这点的温度迅速升高，以致可以点燃物质。
有了这些基本的光学知识，人们就可以对光进行深入的研究了。伟大的科学家牛顿，就是光学领域中的伟大的研究者，单凭他在光学方面的贡献，就完全可以成为科学史上的伟大人物，他在光学方面的主要贡献是对颜色的研究。在牛顿所处的时代，由于实验科学的发展，推动了人们对光的研究。
有一天，牛顿取来一块长纸板，一半涂成鲜红色，另一半涂成蓝色，然后把它放在窗户边，通过一块玻璃三棱镜来观察纸板。他发现，如果把玻璃棱镜的棱角朝上，使纸板由于折射看起来像是被抬高了，那么折射的结果将使蓝色半边比红色半边抬得更高。他把棱镜反倒过来，让折射棱角朝下，使纸板由于折射看起来被放低时，蓝的半边就比红的半边降得更低了。因此，牛顿断定蓝光折射比红光厉害些，也就是说不同的颜色具有不同的折射率。
这个设想是否正确呢？为了证实它，牛顿又做了一个实验。他拿来一张纸，一半涂上蓝色，一半涂上红色，用蜡烛做光源，经透镜在另一张纸上成像。结果却发现，无法使涂色纸片的两边同时呈现清晰的像，蓝色半边的像要在离透镜更近的地方才能看清楚。这说明，被蜡烛照射的红蓝纸片所发出的红蓝光经透镜后聚集在离透镜不同距离的地方。这就是透镜成像的色差。这种现象的发生是因为红蓝光具有不同的折射率所造成的。
1666年，年轻的科学家牛顿亲手制作了两个光学质量很好的三棱镜，并设计了一个“判决性实验”，来判定太阳光谱的形成原因。牛顿将两个棱镜隔开一段距离放置，在它们中间放置一个屏幕，屏幕中间开有一条垂直的狭缝。他再将房间的百叶窗放下，房内顿时漆黑一片，牛顿事先在百叶窗上开有一个小孔，这时外面的阳光透过这个小孔射向第一个棱镜，牛顿预想将会像小孔成像一样，在屏上会看到圆形的太阳的像。然而，结果却相反，在屏上看到的却是被拉长了的太阳的像，并且形成了一条光彩夺目的彩带。彩带的顶部是蓝色，底部为淡红色。牛顿感到这很有趣，他又将第一个棱镜转动了几次，使彩带的7条光线依次投到狭缝上。这样，7种不同颜色的光又通过狭缝投射到第二个棱镜上。牛顿发现，在第一个棱镜上折射得很厉害的蓝光，也在第二个棱镜上得到最大的折射。原来，太阳的像被拉长是由于光不是均匀的，而是由不同类型的光线组成的，其中的一些比另一些更容易被折射的缘故。而且各种彩色光透过第二个棱镜折射后虽然各自的折射角更大，但却不再展现出彩色带，而只显示各自的颜色。牛顿将白光分解成各种色光的现象称为色散，将白光分解后形成的彩带称为光谱。
牛顿对这个实验结果非常感兴趣，他仔细分析了实验现象，他想，光谱的形成到底是什么原因呢？当时，人们对光谱的解释多种多样，在众多的解释中最权威的是：从太阳表面不同点发出的光进入棱镜时的角度各不相同，这造成了三棱镜对这些光线折射的不同，结果就形成不同的颜色。年轻的科学家牛顿并不迷信权威的说法，他说，如果造成光谱是由于光在入射时的角度不同，导致棱镜对它的折射不同，那么，各种色光从狭缝入射到第二个棱镜时的入射角也不同，理应由于折射的不同再造成一次色散而形成新的光谱。实验结果却对这种推论“宣判”了死刑。究竟怎样来解释太阳光（白光）通过三棱镜后形成的光谱现象呢？
经过一段时间的思考，牛顿提出了这样的解释：白光是由折射能力各不相同的色光混合而成的，当白光透过棱镜时，由于各种色光的折射能力不同，于是“各奔东西”，造成了这些色光彼此远离而形成一条七色彩带。对于其中的一种色光来讲，由于它已经是单一成分了，即使再通过棱镜也不会造成色散，而“依然保持本色”，只不过在第二次透过棱镜后，折射将更厉害一些罢了。
判决了旧理论的死刑，又怎样来证实新理论的新生呢？为此，牛顿又做了一个“支持性实验”。他在上述实验装置上作了一些变动：撤走了第二个棱镜和屏幕，在屏幕位置上放了一只很大的凸透镜，牛顿让经过第一个棱镜色散后的光谱投射到凸透镜上，结果，所有7种颜色的光经过凸透镜后就会聚成一束白光了！由此，它直观地显示出，白光是由这些色光混合而成的。
“白光是由各种色光混合而成的”，这是一个重大的发现。牛顿的实验与结论使人们对颜色的认识的主观成分大大地减少了。他还成功地解释了虹的成因。牛顿认为，在天空中一边有阳光照射，另一边乌云密布的时候，彩虹就将出现。这是因为彩虹的颜色实际上是被云中或下落的细小水滴所反射的阳光的分解。阳光照射在水滴上，进入水滴发生折射，接着在水滴的另一面发生全反射后，再从前表面折射出来，结果不同色光在离开水滴后就呈扇形散开。因此，地面上的观察者若是背向太阳，就会看到弧状的彩虹。
牛顿环的发现
眼是人的五大感官之一。人类通过视觉观察和认识自然界比用其他感官更直接，更富有色彩。光学仪器的产生，使人类的视野更加扩展，它帮助人们克服视觉器官的局限性，大大丰富了感性认识的内容，在广度和深度上大大地增强了人类的认识能力，使感性认识更加精细。
就在研究颜色理论的过程中，牛顿对改进折射望远镜发生了兴趣。在牛顿所处的时代，最好的折射望远镜可以目测到土星的神秘形状的变化，但是望远镜的色差严重影响着观测的精确性。所谓色差是指星球发出的白光经过望远镜时，由于组成白光的各种色光的折射率不同，结果造成星球的像的模糊，在像的边缘总有一圈颜色。在牛顿之前的许多科学家，都绞尽脑汁想办法去掉这讨厌的色差，但由于缺乏理论根据，最后谁也没有成功。在牛顿提出了白光形成的新理论后，他自己马上把这一理论运用到改进望远镜上。他经过多次实验研究，从光的反射与光的颜色无关出发，于1668年制成了反射式望远镜，这台望远镜是一个大口径的旋转抛物面反射镜，它将天体成的像作为平面反射镜的虚构物，平面反射镜成的实像再经短焦距的目镜放大，供人观察。
