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1768年，也就是清朝乾隆三十三年，王贞仪出生于南京的一个书香世家。祖父王者辅官至知府，是个一心为民的清官，在历算、数学方面也颇有造诣。父亲王锡琛科举屡次不中，转投医学，成为一方名医。
清朝盛行礼教，信奉女子无才便是德。幸运的是，王贞仪的家人没有因为她是女孩而区别对待她，更不想她受礼教束缚而困顿一生，于是尽可能丰富她的精神世界。祖父教授天文知识，祖母教诗词，父亲教医术。因此，她八岁能写诗，十一岁便写得一手好文章，她熟读历朝历代留下来的医学经典，还能按方抓药，是当地有名的才女和小神医。
十一岁那年，被流放辽东吉林的祖父去世了，于是王贞仪一家人经水路北上，前往吉林。清朝女子少有出门的机会，这次远行也让王贞仪增长了见识。
在吉林为祖父办完丧事后，王贞仪一家并没有立即返回，而是在吉林生活了五年。祖父去世时留下了七十五柜藏书，除了诗词歌赋外，更多的是一些理科读本，其中不仅有元朝郭守敬写的《授时历》，还有清代数学名家明安图撰写的《割圆密率捷法》。王贞仪读得津津有味。她知道想要有所成就，光靠家庭环境是不够的，所以她格外努力，用短短五年时间就读完了祖父的藏书。
结束了客居吉林的生活，十六岁的王贞仪又跟随父母一起四处行医，踏遍了大半个中国，秀丽山河尽收眼底，风土人情尽心感受，因此她拥有了比常人更为深远的思维、更为宽广的格局。在相对自由的环境下长大的王贞仪，除了医学外，还培养了广泛的爱好，她善骑射，会诗赋，精历算，还知天文。
不过，她最终能成为一位学识过人的科学家，除了大量的阅读积累与丰富的游历经验之外，还离不开好奇心的驱动。别人看到星星，只觉得那是会发亮的小东西，而王贞仪仰望着星空，却在思考星星是怎么产生的？为什么会发亮？为什么每颗星星的位置都不一样？
在强烈的好奇心驱动下，王贞仪开始了天文探索之路，最令她好奇的还是月食现象。王贞仪看过张衡的《灵宪》后，就对月食的形成产生了疑问。月食发生在夜里，而晚上看不见太阳，如果地球和月亮之间真的隔着一个太阳，那么太阳的光，是怎样到达月球的呢？
她查遍古籍，苦思冥想仍不得其解。直到元宵夜，她偶然看见镜子上映出的花灯的影子，于是得到启发，立即回到闺房，挂起一盏水晶灯充当太阳，把圆桌看作地球，自己则手持镜子当作月亮，反复移动，以此来模拟月食的形成过程，终于勘破了月食的奥秘。
她写下了颇有分量的文章《月食解》，用通俗的语言告诉老百姓，月食是怎么形成的。全世界最早且准确的月食成因的解释，就是由这位年仅二十岁的中国少女给出的。