在缺少父母之愛和充滿孤獨寂寞的環境中成長起來的牛頓，同其他孩子一樣，精力充沛地迎來了他人生旅途中的第12個春天。這一年，12歲的牛頓開始成為一名中學生了。
牛頓就讀的中學是一所名叫金格斯的中學，格蘭瑟姆鎮的公立學校。這所中學是有著悠久曆史的公立學校。校園的周圍是一排排參天挺拔、鬱鬱蔥蔥的大樹；不遠處有一條潺潺流水的小溪。河麵上經常有一群可愛的大白鵝曲頸朝天“引吭高歌”，在藍天白雲下，小教堂式的校舍與周圍的自然環境交相襯托，顯得格外和諧、恬靜，仿如一軸美妙絕倫的畫卷。在這如詩如畫的校園中，牛頓度過了他人生旅途中最愉快的四年學習生活。
少年時代的牛頓，是個不太引人注目但卻認真學習、善於思考的好學生。這一時期的牛頓，逐漸表現出他與人不同的突出特點。如，他喜歡沉思默想，對許多事物都感到新鮮好奇，求知欲很強，而且總是樂於觀察、體驗和製作。他對日常生活中可能發生的一切自然現象和社會現象與語言，都有整理、分類的強烈嗜好。
在學校所學的各門功課中，他最喜歡的就是數學。當時在學校拉丁語作為科學的用語，是教學的主要內容，牛頓總是非常認真地學習它。此外，還有希臘語、古代史、語法、邏輯學和聖經學等等。起初，牛頓各門功課的學習成績並不拔尖兒，但是，他總是認真聽課，各門作業經常寫得規規矩矩、整整齊齊，很少出現錯誤。在課餘時間裏，牛頓最感興趣的就是工藝製作、顏色調配、自然科學的研究和試驗等。牛頓還把平時節省下來的零花錢，一點一點地積攢起來，買來各種木工具。有時，自己也設計並製作一些工具，然後再用這些工具製作各種形狀的物品和模型。這些作品雖然看上去很簡單，但是它們卻顯露出少年牛頓勤思好學的精神和觀察實驗的能力。同時，這也是牛頓在金格斯中學所學到的各類知識的一個縮影，這一切也都為他以後的大學學習、發明和創造打下了堅實的基礎。
牛頓在他上小學時，因為學校離家較近，可以走讀。可是上中學以後，由於學校在格蘭瑟姆鎮，往返需要近30公裏的路程，所以，12歲的牛頓隻好離開與他相依為命的外祖母，寄宿在漢娜媽媽的朋友——克拉克夫人家中。
克拉克是一位勤奮好學、很有名望的藥劑師。他與夫人平素就待人熱情、誠懇。因此，鎮子裏的人都願意與他們交往。自從牛頓來到他們家以後，克拉克夫婦對待懂事好學的牛頓就像對待自己親生兒子一樣。而牛頓雖然初次離開家鄉，離開疼愛他的外祖母和詹姆斯舅舅，可是，他並不感到孤獨。因為過去他已經習慣了孤寂的生活，況且，在克拉克家，他們夫婦的盛情和慈愛，使從小就失去父母之愛的牛頓，深深地感受到了勝似父母的親情。尤其是克拉克藥店裏的氣氛，更使牛頓精神煥發。所以，我們說克拉克夫婦及養女斯托裏小姐對牛頓以後的生活產生了極為深刻的影響。就是在這個小藥店裏，牛頓在克拉克夫婦言傳身教之下，逐漸養成了愛科學、愛讀書和愛實驗的良好習慣。當時，克拉克的藥店本身就是一個真正的化學實驗室。牛頓在藥店住宿期間，十分熱衷於做化學實驗，而且，在牛頓科學研究的一生中，從來沒有間斷過化學實驗。毫無疑問，克拉克夫婦給牛頓的人生又注入了新的活力，使牛頓永生難忘。
這一年，童心未泯的牛頓，雖然已經上了中學，各門功課學習任務繁重，可是，課餘時間，他不是在克拉克先生的藥房裏與他一道搞藥物實驗，就是在自己的房間裏製作各種各樣的東西。
曾經有一周的時間，克拉克夫婦基本上沒有見過牛頓晚飯後出去玩過。他們知道牛頓的性格，同時也為牛頓聚精會神、埋頭苦幹的精神所感動。原來，牛頓連日來，正在為他所喜歡的克拉克夫婦的女兒斯托裏小姐趕製一個精美的風箏和一盞燈籠。一周以後，牛頓把凝聚著他的汗水和智慧的風箏與燈籠送給斯托裏小姐時，斯托裏被牛頓精湛的手工製作技藝所折服。她望著燈籠和風箏，蟄伏在心底的愛慕之情油然而生。
當牛頓把這兩件作品帶到學校時，同樣也受到了同學們的喜歡和讚揚。大家爭先恐後地看著、議論著。有的同學還請教牛頓製作方法，並馬上開始模仿製作。這樣，牛頓所在的班級從此興起了一股製作熱潮。雖然許多同學能模仿出風箏那美觀的外形，但是在拉線的力點和尾巴的重量上卻達不到牛頓的水平。尤其是在風箏起飛的速度與高度上，更是無法與牛頓相比擬。因此，許多同學都請求牛頓幫助他們製作風箏。牛頓一時間又成為班級的大忙人兒。據說牛頓當時製作風箏和燈籠以及以後他所製作的水鍾、風車等模型與他所閱讀的約翰·貝特的《自然與藝術之奧秘》一書的影響和啟迪有直接關係。
一天黃昏後，牛頓和斯托裏小姐吃完晚飯，帶著風箏和燈籠興高采烈地出去了。他們手拉著手，蹦蹦跳跳地來到不遠處的一塊空地上。牛頓先把那盞小巧玲瓏的燈籠拴在漂亮的大風箏上，並在燈籠裏邊燃上蠟燭。然後，開始放動風箏的線板，讓燈籠隨著風箏一起飛向天空。此刻，天空中宛如一顆彩色星星在緩緩升起，牛頓與斯托裏一邊奔跑著，一邊忘情地喊叫著：“太美啦！太美啦！”鎮子裏的人們也不知發生了什麼事情，競相從屋裏跑出觀看。有的人還以為是天空中出現的一顆彗星呢！甚至因此大為吃驚和恐懼。因為，在當時，人們不懂天文知識，加上中世紀封建迷信思想的影響還根深蒂固，所以，人們對彗星還缺乏科學的認識，認為它的出現是一種不祥之兆。當人們弄清楚了這是牛頓搞的名堂後，便開始禁不住對這個話語不多、彬彬有禮的男孩子交口稱讚。聽到人們的讚譽，牛頓心裏喜滋滋的，他暗暗地下決心：一定要好好學習真本領，將來為這些善良的人們做出有用的東西。
牛頓的製作技藝，隨著他學業的長進，越來越高明了，製作工藝也越來越精湛，做出的物品也越來越奇巧多變了。
有一天夜裏，克拉克夫人被一陣陣風雨聲驚醒。她急忙起身去關窗戶。這時，她發現牛頓的房間還亮著燈光，便披件衣服，端上一盤蘋果，輕輕地走過樓梯，來到牛頓的房間。
“牛頓，嬸嬸給你送蘋果來啦！你也太用功啦！時間不早啦，還是早點兒休息吧！”
克拉克夫人一邊說著，一邊疼愛地看著牛頓。此時，牛頓正孜孜不倦地伏在桌子上計算著什麼。看到克拉克夫人的到來，他連忙站起身說：
“嬸嬸，我一點都不困。這麼晚了又麻煩您上樓，真是不好意思。”
“這是哪兒的話，瞧你，外邊下這麼大的雨都不知道，注意別著涼啊！”
克拉克夫人邊說邊隨手關上窗戶，並拉上窗簾。就在克拉克夫人轉身之際，她突然喊叫了一聲：
“哎呀！這是什麼啊？”
原來，在牛頓房間的牆角處，放著一個她從沒見過的一米左右細長的箱子。
看到克拉克夫人吃驚的樣子，牛頓抱歉地說道：
“嬸嬸，沒什麼，這是一架報時的水鍾，我是專門給您做的。不論什麼時候，隻要您看一下它，就可以知道具體的時間啦！”
“是嗎？我的孩子！這個東西可太神奇啦，你快點兒告訴嬸嬸，究竟是怎麼做成的？”
克拉克夫人興奮地問著。
是的，克拉克夫人打心眼裏喜歡、欽佩和疼愛小牛頓。她為同學漢娜能有這樣的好兒子而感到幸福。這一次，她見到水鍾以後，更加佩服這個勤奮鑽研的孩子了。此刻，克拉克夫人的睡意早已隨著興奮和驚奇而跑得無影無蹤了。
早在牛頓上小學時，就曾琢磨著製作一個“計時水鍾”，以放在房間裏，及時報告時刻。有一天，牛頓興衝衝地硬是把洗刷餐具的外祖母，拉到他的房間。然後拿出一個裝滿清水的小水桶，打開桶底的一個小孔塞子，讓水“滴答”、“滴答”地緩緩滴下。隨著水桶裏麵水位的逐漸下降，水桶裏的浮標也慢慢地下降，並帶動著指針在均勻的刻度盤上一點兒一點兒地移動，從而指示著各個時刻。當水滴盡時，恰恰是中午的時刻。
外祖母看到這個小裝置後，雖然把它看作是一種遊戲的小玩意兒，但也為它計時的準確而感到驚奇。所以，外祖母毫不掩飾地流露出讚賞的笑容。牛頓永遠也不會忘記當時外祖母那番勉勵的話語和激動的笑臉。
上中學以後，牛頓又結合所學到的知識，在原來發明的基礎上，進一步研究，終於給克拉克一家製作了一架新的計時水鍾。這架水鍾與現在用發條上弦及電子石英鍾表是不一樣的。它由上、下兩個容器組成。在上麵的容器底部挖了一個小孔兒，用塞子堵住以後，注滿水。當打開活塞後，水就會從上麵的容器中“吧嗒”、“吧嗒”地滴入下麵的容器裏，再用滴下來的水的數量來測定時間。牛頓在木箱子上麵刻上刻度，以此來顯示時間。
牛頓一邊向克拉克夫人介紹著計時水鍾的製作原理，一邊搔著頭發說：
“嬸嬸，這架水鍾還有許多不方便的地方呢！您最好也能幫我想想辦法。”
“是嗎？還有什麼不方便的地方呢？”
克拉克夫人以疑惑不解的口吻問。
“是的，嬸嬸。我們必須不斷地往上邊的容器裏注水，還必須把下邊容器裏的水及時排出來。否則，我們就隻會知道某一段時間啊！”牛頓麵帶愁容地說著。
“這倒也是啊！還有什麼不方便的地方嗎？”克拉克夫人繼續詢問。
“還有，當容器剛添滿水時，因為水深，壓力也就大；而當水箱裏的水剩的不多時，壓力就變小了。這樣一來，從上邊容器的小孔中滴下來的水量就前後不同。因此，必須按一定時間及時往上麵的容器裏添水，隻有這樣，才能測出準確的時間。”
牛頓一邊滔滔不絕地說著，一邊若有所思地看著計時水鍾，似乎要在腦海中正在激起的智慧之花中擷取幾朵浪花似的……
關於水需要不停地從上麵的容器裏向下邊的容器裏滴淌，從而必須不斷地往上麵的容器裏添水這一道理，克拉克夫人還是能夠理解的。可是，關於壓力等一些問題她還不太清楚。所以，克拉克夫人無可奈何地說：“這裏麵還有這麼多深奧的學問呢！嬸嬸別的幫不上忙，不過，還是可以幫助你打水、送水什麼的，你就告訴我送水的時間吧！”
克拉克夫人邊說邊拍拍牛頓的肩膀，然後又囑咐一番下樓去了。
此後，克拉克夫人每天早上都把容器裏注滿水。這些水正好能滴一整天，並準確無誤地告訴著人們的時間。據說，在牛頓離開格蘭瑟姆鎮以後，克拉克家仍然用著這架水鍾。
轉瞬間，冬天來到了。連日來呼嘯的北風肆虐地刮著，使人感到仿佛它要把房蓋揭開似的。
在溫暖的藥店裏，牛頓在壁爐前一邊烤火取暖，一邊凝視著爐中跳動著的火苗，像是認真思索著什麼……
近來，牛頓對新的中學生活已經習慣了。雖然他遠離外祖母和故鄉，但是，克拉克一家人的熱情關懷、老師不斷地傳播的新知，以及自己研究與實驗的順利進行，這一切都使牛頓感到生活是那樣的充實、快樂和幸福。
每到周末，牛頓都要抽出一定的時間，回到伍爾斯索普村，去看望外祖母和詹姆斯舅舅及表姐妹們。而他一旦返回格蘭瑟姆鎮的克拉克叔叔家，他就馬上寫作業和搞自己喜歡的研究與試驗。這樣，每個周末都是牛頓最忙碌的一天。
有一天，牛頓從一本書中看到了一幅畫著一架風車的圖畫。於是，試做一架風車的念頭又開始在他的腦際中升騰起來。這種想法一產生，牛頓就心急如焚，恨不能馬上動手做成。可是，就在他準備具體設計風車的圖形時，昔日那一次由一個水車的模型而引發的河邊爭吵和打鬥的情景，又浮現在他的眼前……“隻會做，卻說不出道理，至多是一個笨木匠”，同學們奚落他的這句話，直到現在還刺痛著他的心，使他永遠難以忘懷。牛頓一想起這些，便自言自語地說：“這一次還是先弄清楚風車的道理，然後再開始設計製作吧！”
牛頓首先找來許多有關方麵的圖書資料，一邊認真仔細地閱讀，一邊深入地思索問題。這樣，經過幾天的潛心研究，牛頓決定在製作風車之前，再把風力與風向的問題搞清楚，然後進行具體的設計與製作。而在製作成功之前，他決定對任何人都暫時保密。
牛頓所居住的克拉克家二樓的那個房間，原來是堆放雜物的倉房，麵積有七八平方米。牛頓到來之後，克拉克把沒用處的東西廢棄，剩餘的東西又重新進行了擺放，這樣，終於給牛頓騰出一塊學習與睡覺的地方。房間本來就很狹窄、擁擠，可是，除了牛頓的日用品和學習用品之外，其他的如木匠用的木工具、小五金、碎木塊、紙張和線等等，又塞滿了餘下的空間，使人感覺到在此難有立錐之地。就在這間小房裏，牛頓又開始投入製作風箏的工作中去了。可是，這一次，他並不是為了單純地放風箏玩耍而製作。他製作的目的是為了搞清楚風向和風力，從而為他設計和製作風車做準備。
一連幾天，牛頓做了許多大小不同、形狀各異的風箏，而且，每做完一個風箏，都要把它拿到外邊，進行試驗放飛，有時甚至一連幾個小時。刺骨的寒風，打透了牛頓那單薄的棉衣，手也早已凍得麻木了。可是，他仍然全神貫注地觀察研究氣流和風箏上升的情況。然後，他又仔細地把這一切認真地記在筆記本上。
牛頓從上中學時起，就逐漸地養成了把觀察到的事物和聽到的感興趣的問題以及調查研究過的事情，都一一地記錄在筆記本上的好習慣。有時，甚至在製作某件物品時或進行實驗的過程中，突發奇想，他便馬上停下手中的工作，馬上把瞬間即逝的思想火花用文字記錄下來。至於某項研究或試驗的失敗教訓，更是牛頓記錄的主要內容。這樣，年複一年，日積月累，牛頓的“研究筆記”竟然成為他一生中極為寶貴的財富。
牛頓就是這樣進行著認真細致的觀察和研究工作。他不知做了多少個風箏，當然，他決不是做個風箏就算完事，而是要反複探究其原理，總結研究經驗，逐步地進行改進。
聖誕節前夕，附近左鄰右舍的孩子們都跑到廣場放風箏。牛頓也和斯托裏拿著風箏來到廣場。當小朋友們的風箏放飛起來後，人們才發現牛頓的風箏比從商店裏買來的風箏放得高，而且又很漂亮。這時，人群中不知是誰大聲喊道：
“快瞧！牛頓的風箏放得最高！看它還一個勁兒地向上升呢！”
“牛頓和斯托裏不是在變什麼戲法吧？”
孩子們興高采烈、議論紛紛。大家相信，同時也非常佩服牛頓。的確，像他這樣刻苦鑽研和學習、勇於探索和實踐的人，隻要去做，就一定會做好的！
牛頓在利用風箏對氣流和風力進行反複的研究之後，便信心十足地開始動手設計和製作風車啦！
牛頓一向被人們認為是一個“愛胡思亂想的人”，但他有著驚人的注意力。每當遇到複雜的問題時，或者在製作物品時，他能夠連續工作或者思索幾個小時，有時甚至十幾個小時。與此相關的就是他能夠全神貫注地抓住問題的症結而不放。
又是幾天過去了，克拉克一家人很少能看見牛頓。大家猜測：牛頓一定又躲在房間裏搞什麼發明呢！
一天晚上，克拉克先生到樓上準備取一樣實驗的備用品。他輕輕地推開牛頓的房門，悄悄地來到了屋裏。這一切牛頓全然不知，克拉克先生看到地上放著的三角形木框和上麵貼滿布條的風車葉片。便輕聲地對牛頓說：