物理學(xué)家伽利略對天文學(xué)及力學(xué)的貢獻

1、物理學(xué)家伽利略對天文學(xué)及力學(xué)的貢獻天文學(xué) 伽利略是利用望遠鏡觀測天體取得大量成果的第一 位科學(xué)家。 1609 年，伽利略在知道荷蘭人已有了望遠鏡后， 伽利略創(chuàng)制了天文望遠鏡 （后被稱為伽利略望遠鏡 ） ，并用來 觀測天體，發(fā)現(xiàn)許多前所未知的天文現(xiàn)象。他發(fā)現(xiàn)所見恒星 的數(shù)目隨著望遠鏡倍率的增大而增加 ; 銀河是由無數(shù)單個的 恒星組成的 ; 月球表面有崎嶇不平的現(xiàn)象 （親手繪制了第一 幅月面圖 ） ，金星的盈虧現(xiàn)象 ; 木星有四個衛(wèi)星 （其實是眾多 木衛(wèi)中的最大的四個，現(xiàn)稱伽利略衛(wèi)星 ） 。他還發(fā)現(xiàn)太陽黑 子，并且認為黑子是日面上的現(xiàn)象。由黑子在日面上的自轉(zhuǎn) 周期，他得出太陽的自轉(zhuǎn)周期為 28天（

2、 實際上是 27.35 天）。 1637 年在目力很差情況下， 他還發(fā)現(xiàn)了月亮的周日和周月天 平動。這些發(fā)現(xiàn)開辟了天文學(xué)的新時代。伽利略第一個用望遠鏡觀察到土星光環(huán)、太陽黑子、 月球山嶺、金星和水星的盈虧現(xiàn)象、木星的衛(wèi)星和金星的周 相等現(xiàn)象，并從實驗中總結(jié)出自由落體定律、慣性定律和伽 利略相對性原理等。從而推翻了亞里士多德物理學(xué)的許多臆 斷，奠定了經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，反駁了托勒密的地心體系，有 力地支持了哥白尼的日心學(xué)說。這一系列天文發(fā)現(xiàn)轟動了當(dāng)時的歐洲， 伽利略在介紹 他新發(fā)現(xiàn)的兩本書星際使者 （1610） 和關(guān)于太陽黑子的 書信 (1613) 中，都主張哥白尼的日心說。伽利略以觀測到 的事實，

3、推動了哥白尼學(xué)說的傳播。當(dāng)時的意大利仍處于教 會的嚴酷統(tǒng)治之下，許多人不肯承認同圣經(jīng)和亞里士多 德著作相違背的新思想、新事物。 1613 年，哥白尼的天體 運行論被宗教法庭列為禁書，伽利略也受到警告，要他放 棄哥白尼學(xué)說。伽利略沒有接受警告，繼續(xù)寫作， 1632 年他 的兩大世界體系的對話出版，激怒了教會。宗教法庭把 伽利略傳到法庭，并宣判他有罪，并責(zé)令他懺悔，放棄自己 證明了的學(xué)說， 禁止對話流傳。1633 年被判處終生監(jiān)禁， 指定居住于佛羅倫薩效區(qū) 。他在生命的最后幾年里仍努力 研究。 1634 年寫成一本力學(xué)著作 關(guān)于兩門新科學(xué)的談 話和數(shù)學(xué)證明 。力學(xué)伽利略是第一個把實驗引進力學(xué)的科學(xué)

4、家， 他利用實 驗和數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法確定了一些重要的力學(xué)定律。 1582 年 前后，他經(jīng)過長久的實驗觀察和數(shù)學(xué)推算，得到了擺的等時 性定律，接著在 1585 年因家庭經(jīng)濟困難輟學(xué)。離開比薩大 學(xué)期間，他深入研究古希臘學(xué)者歐幾里得，阿基米德等人的 著作。他根據(jù)杠桿原理和浮力原理寫出了第一篇題為 天平 的論文。不久又寫了論文論重力 ，第一次揭示了重力和 重心的實質(zhì)并給出準確的數(shù)學(xué)表達式，因此聲名大振。與此 同時，他對亞里士多德的許多觀點提出質(zhì)疑。在歷史上伽利略是最早對動力學(xué)作了定量研究的人。 1589 1591 年，他對物體的自由下落運動作了細致的觀察， 從實驗和理論上否定了統(tǒng)治兩千年的亞里士多德

5、的落體運 動觀點 （重物比輕物下落快 ） ，指出如忽略空氣阻力，重量不 同的物體在下落時同時落地，物體下落的速度和它的重量無 關(guān)。根據(jù)伽利略晚年的學(xué)生 V. 維維亞尼的記載， 落體實驗是 在比薩斜塔上進行的，但這件事在伽利略著作中沒有記錄， 因而較普遍認為此事不可靠。有歷史記載的第一個完成這類 試驗的人是斯臺文，在自然科學(xué)史中記載，荷蘭人斯臺 文在 1586 年使用 2 個重量不同的鉛球完成了這個試驗，并 證明了亞里士多德的理論是錯誤的。在斯臺文試驗的幾個世 紀以后，阿波羅 15 號的宇航員大衛(wèi) · 斯科特 1971 年 8 月 2 日在無空氣月球表面上使用一把錘子和一根羽毛重復(fù)

6、 了這個試驗，證明且讓地球上的電視觀眾親眼看到了兩個物 體同時掉落在月球表面上。伽利略對運動基本概念，包括重心、 速度、 加速度等 都作了詳盡研究并給出了嚴格的數(shù)學(xué)表達式。尤其是加速度 概念的提出， 在力學(xué)史上是一個里程碑。 有了加速度的概念， 力學(xué)中的動力學(xué)部分才能建立在科學(xué)基礎(chǔ)之上，而在伽利略 之前，只有靜力學(xué)部分有定量的描述。伽利略還對物體在斜 面上的運動，拋射體的運動等作過實驗和觀察。在這些研究 基礎(chǔ)上他提出了加速度的概念及其數(shù)學(xué)表達式。他曾非正式 地提出慣性定律和物體在外力作用下運動的規(guī)律，提出運動 相對性原理 （ 現(xiàn)稱伽利略相對性 ） 。相對性原理是為答復(fù)對哥 白尼體系的責(zé)難而提出

7、的，但原理的意義遠不止于此，它第 一次提出慣性參考系 （慣性系 ）的概念，被愛因斯坦稱為伽利 略相對性原理，是狹義相對論的先導(dǎo)。這些為牛頓正式提出 運動第一、 第二定律奠定了基礎(chǔ)。 伽利略還提出過合力定律， 拋射體運動規(guī)律。在經(jīng)典力學(xué)的建立上伽利略可以說是牛頓 的先驅(qū)。伽利略對擺的運動作過長期的觀察和研究。 在后來的 研究中指出單擺的周期和擺長度的平方根成反比。這一規(guī)律 為后來計時機構(gòu) （擺鐘）的設(shè)計提供了根據(jù)。 1641 年，已失明 的他，讓兒子為他繪制了擺鐘設(shè)計圖。伽利略在力學(xué)方面的貢獻是多方面的。 這在他晚年寫 出的力學(xué)著作關(guān)于兩門新科學(xué)的談話和數(shù)學(xué)證明中有詳 細的描述。在這本不朽著作中，除動力學(xué)外，還有不少關(guān)于 材料力學(xué)的內(nèi)容。例如，他闡述了關(guān)于梁的彎曲試驗和理論 分析，正確地斷定梁的抗彎能力和幾何尺寸的力學(xué)相似關(guān)系。 他指出，對長度相似的圓柱形梁，抗彎力矩和半徑立方成比 例。他還分析過受集中載荷的簡支梁，正確指出最大彎矩在 載荷下，且與它到兩支點的距離之積成比例。伽利略還對梁 彎曲理論用于實踐所應(yīng)注意的問題進行了分析，指出工程結(jié) 構(gòu)的尺寸不能過大，因為它們會在自身重量作用下發(fā)生破壞。他根據(jù)實驗得出，動物形體尺寸減小時，軀體的強度并不按比例減小。他還把這種關(guān)系用來說明為什么體格大的動物在負