研究性學習伽利略的研究藝術(shù)

1、伽利略科學研究方法探究伽利略（15641642）是意大利物理學家、天文學家，近代實驗科學的創(chuàng)始人。他的一生完全獻給了科學事業(yè)，他所取得的巨大成就開創(chuàng)了近代物理的新紀元。正如愛因斯坦所說：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應用的科學推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，標志著物理學的開端?！彼?632年發(fā)表了關于兩個世界體系的對話一書，1638年又發(fā)表了關于兩門新科學的對話一書。伽利略在長達幾十年的科學研究工作期間開創(chuàng)了許多物理學研究方法，對今天的科學研究人員來說，在科技創(chuàng)新方面仍有重要的指導作用。本文試圖從這些方面進行一些探究。1伽 利略主要的力學研究工作自由落體問題的研究是伽利略力學研究的突破口。當時

2、在力學問題上流行的是亞里士多德的理論。亞里士多德認為落體以勻速下落，其速度 的大小與落體的重量成正比。伽利略首先指出了亞里士多德落體觀念的邏輯矛盾。他假定一根不太長的繩子，兩端分別系著一塊石頭，這兩塊石頭的重量不同。那 么，這兩塊石頭將以什么速度下落呢？按照亞里士多德的觀念，它們的重量是大小兩塊石頭重量之和，所以它們下落的速度比任一塊石頭單獨下落的速度都要快。另 一方面，也從亞里士多德的觀念出發(fā)，大石頭下落得快，小石頭下落得慢，則當兩石頭串聯(lián)在一起時，會出現(xiàn)這樣的情況：大石頭快落在下，小石頭慢落在上，在大 石頭帶動下，小石頭比單獨下落時要快些，而大石頭被小石頭拖后，使之比單獨下落時要慢些。即同

3、是應用亞里士多德的觀念，得出的是以上兩種自相矛盾的結(jié)果。 所以亞里士多德關于落體的理論從邏輯推理上就不攻自破了。還是眼見為實，伽利略知道僅用邏輯推理是不夠的，還必須用人們能夠觀察到的事實來駁斥亞里士多德 的落體觀念。相傳1589年伽利略登上了意大利的比薩斜塔，讓10磅重和1磅重的兩個球同時下落。塔下的人都看到，這兩個重量不同的球幾乎是同時落地的。而根據(jù)亞里士多德的落體觀念，當大球落到地面時，小球只下落到110的高度，這顯然不符合眼見的事實。做這個實驗之后，伽利略想到，有人會說物體下落速度雖然不是同重量成正比，但重物看起來總是比輕物似乎要落得快一些。由于比薩斜塔只有5 6米高，相對高度而言，球下

4、落得太快了，肉眼不容易看出兩者的差距。所以伽利略就想“沖淡引力”，讓球落得慢一些。這樣就可以比較容易地得到兩個重量不同的球究竟是先后落地，還是同時落地的結(jié)論。伽利略是通過斜面實驗來達到“沖淡引力”的設想的。他在長約8米的木板上，刻著一條光滑的槽，并放置成一斜面，斜面的夾角可以隨意調(diào)控。他使重量不同的小球在同一高度沿斜面同時滾下。夾角越小，小球滾得就越慢。這就好比沖淡了引力。伽利略發(fā)現(xiàn)，重量不同的球在相同的斜面上滾動的速度是相同的，與斜面的夾角的大小無關。當斜面夾角為90度時，小球的滾動就成了自由下落。于是他得出結(jié)論：物體自由下落的速度同其重量無關。伽利略為了研究落體運動，不斷人為地調(diào)整木板與水

5、平面的夾角，觀察小球在人為控制下運動，這本身就是一種典型的科學實驗（這個實驗曾在2002年被英國著名的物理學世界雜志的廣大讀者評為歷史上“最美麗”的十大物理實驗之一）。伽利略在斜塔上不能“沖淡引力”，他在家里通過斜面實驗就可以做到這一點，彌補了斜塔觀察活動的不足。伽利略在斜面實驗的基礎上，利用數(shù)學的方法，確定了路程與時間的數(shù)量關系為：s正比于t2,這就是時間平方定律。在他的實驗記錄上，有這樣兩列數(shù)字，不同的下落時間t=1，2，3，4;物體下落的距離之比s=1：4：9：16。 從這兩列數(shù)的比例關系，伽利略證明沿斜面下滑的物體正在做勻加速運動，從而也證明了自由落體運動是勻加速直線運動。斜面實驗還使

6、伽利略發(fā)現(xiàn)了慣性定理。他 做了兩個斜面，上面都刻有一條光滑的槽，讓小球從第一個斜面滾下，再爬上第二個斜面。他發(fā)現(xiàn)，當小球在第二個斜面上爬到一定高度時，它就不再上爬，再度落 下。這個高度剛好等于小球在第一個斜面上向下滾動的高度。這不僅同小球的重量無關，也同兩斜面的傾角的大小無關。如果繼續(xù)減少第二個斜面的傾角，使之最終 成為水平面時，可以想象小球?qū)⒀刂矫嬉院愣ǖ乃俣扔啦煌Ｏ⒌剡\動下去。伽利略在他的關于兩門新科學的對話一書中是這樣描述的：“因為在向下傾斜的平面上已經(jīng)存在一加速因素。而在向上傾斜的平面上則有一減速因素。由此可見，在水平面上的運動是永久的；因為，如果速度是勻速的，它就不能減小或緩慢下

7、來，更不會停止?！边@就是說，物體的運動并不需要外力來維持，只有運動的變化才是外力作用的結(jié)果。物體不受外力作用時，將永遠勻速地運動下去。這個實驗否定了亞里士多德關于“運動要靠力來維持”的言論。2伽利略的力學研究工作所蘊含的科學方法2.1物理觀察方法物 理觀察方法是指人們通過感覺器官或借助于科學儀器，有目的、有計劃地感知客觀對象，從而獲得其中的物理因素、形象、變化及其相互關系的一種研究方法。物理 觀察的第一個顯著特點是在自然發(fā)生的狀態(tài)下，對研究對象進行觀察；第二個顯著特點是經(jīng)驗觀察，就是在人為設的實驗條件下，對自然事物或現(xiàn)象進行觀察。觀察 的任務是觀察自然事物或現(xiàn)象，記錄事實，發(fā)現(xiàn)矛盾，為進一步的

8、分析研究提供第一手資料。觀察的目的：揭示研究對象的性質(zhì)和規(guī)律性，指導社會實踐。從以上所 描述伽利略的研究工作過程中，他從1605年開始就把觀察作為科學研究的堅實基礎。在他看來，觀測和測量完全可以作為劃定科學事實范圍的最高準則。他從來不會忽視在觀測中所發(fā)生的任何細小變化。他對力學和天文學的貢獻，可以說幾乎全部來源于實驗和觀察的結(jié)果。伽利略使用觀察方法在科學研究中的重大作用，也被后來許多學科的科學家所公認。如前蘇聯(lián)著名的生理學家巴甫洛夫?qū)λ膶W生說他成功的秘訣就是：“觀察、觀察、再觀察”，“應該先學會觀察，觀察，不會觀察，你就永遠當不了科學家”。英國的細菌學家弗萊明在他發(fā)明青霉素于1945年獲得諾

9、貝爾醫(yī)學獎時，深有感觸地說“我的唯一功勞是沒有忽視觀察”。2.2數(shù)學方法數(shù)學方法是指在科學研究中，應用數(shù)學提供的概念、符號和規(guī)則進行定量的描述、推導和演算，然后對數(shù)學結(jié)果進行分析和判斷，從量和結(jié)構(gòu)方面運用數(shù)學形式表示事物的特征和規(guī)律。馬克思說：“一種科學只有成功地運用數(shù)學時，才算達到真正完善的地步”。愛因斯坦也曾說過：“在我們?nèi)恐R中，那個能夠用數(shù)學語言來表達的部分，就劃為物理學領域”。數(shù)學方法為物理學研究提供了精確的形式化語言和表達工具。數(shù)學方法較少地受物質(zhì)和技術(shù)條件的限制，依靠其抽象推理可以從理性上認識客觀世界，也便于物理理論的推廣。伽利略把他的物理研究與數(shù)學緊密結(jié)合起來，為物理學的發(fā)展

10、開辟了新的途徑。他以準確的數(shù)學語言證明物質(zhì)運動的規(guī)律和表達物理的定律。他認為數(shù)學是人類思維的一種完全可靠的邏輯形式，“大自然這本書是用數(shù)學的語言寫成的”。 不懂數(shù)學語言，就不能揭開自然界的奧秘。在他那里，數(shù)學的簡單性與和諧性被當作物體運動應該符合的先驗原則。他是第一個用坐標表示物理量來研究物體運動規(guī) 律的人。伽利略不僅設計巧妙的斜面實驗，而且他運用了數(shù)學方法發(fā)現(xiàn)球和斜面的坡度，雖然都可不同，但小球沿斜面滾下的距離總是與時間的平方成正比。當傾角 等于90度時，就過渡到了自由落實運動。的以數(shù)學和實驗相結(jié)合的方法得出了正確的結(jié)論，并以數(shù)學的語言表達了路程與時間的關系：s=gt2/2。這就是物理學中的

11、落體定律。2.3實驗方法物 理實驗方法是指人們根據(jù)研究的目的，利用物理儀器設備，人為地控制或模擬物理現(xiàn)象，排除各種偶然、次要因素的干擾，突出主要因素，在有利的條件下能重復地 去研究物理現(xiàn)象及其規(guī)律。實驗方法是探索物理現(xiàn)象及其規(guī)律的基本方法，是獲取第一手科研資料重要的和有力的手段。實驗方法是探索自然奧秘創(chuàng)立新理論的必由 之路。實驗方法也是檢驗真理的標準和推動自然科學技術(shù)發(fā)展重要的途徑。從上述伽利略開展的研究工作中，我們不難發(fā)現(xiàn)，他采用的是以他開創(chuàng)的實驗方法為核心 的一系列近代科學研究的方法，以自由落體問題為突破口，開創(chuàng)了近代力學的先河。為了驗證結(jié)論的正確性，他通過上百次的斜面實驗。在實驗中，他丟

12、開一些次要 因素，抓住問題的根本，如他知道小球在從斜面滾下的過程中，摩擦力是不可避免的，但可力求使之減到最低的限度。這樣一來，摩擦力可小到忽略不計，就可使計 量問題大為簡化。他采用磨得很光的平面，再鋪以羊皮紙，羊皮紙也盡可能平滑光亮，所用的黃銅球也打磨得很光滑，由此保證了摩擦力小到可忽略不計的條件。他 所使用的方法就是簡化和純化研究對象，讓研究對象在純粹的狀態(tài)下展現(xiàn)出它的特征，從而獲得對認識對象的正確認識。針對當時還沒有精確的測時裝置的情況下， 伽利略在實驗中還獨創(chuàng)性地使用了滴水稱量法，將實驗過程中流出的水滴在精確的天平上稱量，以水重之比推出時間之比。伽利略在實驗過程中把科學的推理和實驗 的事實緊密地結(jié)合起來，把數(shù)學與實驗的結(jié)果緊密地結(jié)合起來。伽利略在推導“慣性定律”的 過程中，還第一次采用了理想實驗的方法。他首先假定小球從一個無摩擦的斜面上滾下來，然后在一個無限延伸的光滑平面上運動。很顯然，沒有摩擦的斜面和無限 延的平面是不存在的。這些實驗雖然只是想象中的