伽利略與亞里士多德對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的研究觀點(diǎn)辨析

伽利略與亞里士多德對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的研究觀點(diǎn)辨析高一（3）班：張迪，秦毅，穆雨欣，張琪，陳嘉慶，郝言，呂天詞人物簡介①伽利略伽利萊（GalileoGalilei,1564年2月15日—1642年1月8日），意大利物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家及哲學(xué)家，科學(xué)革命中的重要人物。其成就包括改進(jìn)望遠(yuǎn)鏡和其所帶來的天文觀測，以及支持哥白尼的日心、說o伽利略做實(shí)驗(yàn)證明，感受到引力的物體并不是呈勻速運(yùn)動(dòng)，而是呈加速度運(yùn)動(dòng)；物體只要不受到外力的作用，就會(huì)保持其原來的靜止?fàn)顟B(tài)或勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變。他的工作，為牛頓的理論體系的建立奠定了基礎(chǔ)。1609年8月21日，伽利略展示了人類歷史上第一架按照科學(xué)原理制造出來的望遠(yuǎn)鏡。1642年1月8日卒于比薩。伽利略被譽(yù)為現(xiàn)代觀測天文學(xué)之父”、現(xiàn)代物理學(xué)之父”、科學(xué)之父”及現(xiàn)代科學(xué)之父”。590年，伽利略在比薩斜塔上做了兩個(gè)鐵球同時(shí)落地”的著名試驗(yàn)，從此推翻了亞里士多德物體下落速度和重量成比例”的學(xué)說，糾正了這個(gè)持續(xù)了2000年之久的錯(cuò)誤結(jié)論。但是伽利略在比薩斜塔做試驗(yàn)的說法后來被嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目甲C否定了。盡管如此，來自世界各地的人們都要前往參觀，他們把這座古塔看做伽利略的紀(jì)念碑。②亞里士多德（公元前384年—公元前322年3月7日），古希臘哲學(xué)家，柏拉圖的學(xué)生、亞歷山大大帝的老師。他的著作包含許多學(xué)科，包括了物理學(xué)、［形而上學(xué)、詩歌（包括戲?。⒁魳?、生物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、邏輯學(xué)、政治、政府、以及倫理學(xué)。和柏拉圖、蘇格拉底（柏拉圖的老師）一起被譽(yù)為西方哲學(xué)的奠基者。亞里士多德的著作是西方哲學(xué)的第一個(gè)廣泛系統(tǒng)，包含道德、美學(xué)、邏輯和科學(xué)、政治和玄學(xué)。公元前322年3月7日亞里士多德因病去世。在物理學(xué)的力學(xué)上，亞里士多德的成就也不少，但是最常被提到的，卻是他所犯的錯(cuò)誤。亞里士多德提出的假設(shè)是凡是運(yùn)動(dòng)的物體，一定有推動(dòng)者在推著它運(yùn)動(dòng)一一是建立在日常經(jīng)驗(yàn)上。若你看到一個(gè)東西在移動(dòng)，你就會(huì)尋找一個(gè)推動(dòng)它的東西（像是我們的手、身體）0當(dāng)沒什么東西推它時(shí)，它就會(huì)停止移動(dòng)，是一個(gè)推著一個(gè)，不能無限制地追溯上去，必然存在第一推動(dòng)者”，中古世紀(jì)的基督教說第一推動(dòng)者”就是指上帝，并將亞里士多德的學(xué)說，與基督教教義結(jié)合。這樣的結(jié)合讓亞里斯多德的學(xué)說成為權(quán)威學(xué)說，一直到了牛頓手里，才建立正確的力學(xué)學(xué)說。另外，亞里斯多德又認(rèn)為較重物體的下墜速度會(huì)比較輕物體的快，這個(gè)錯(cuò)誤觀點(diǎn)直到十六世紀(jì)，意大利科學(xué)家伽利略.伽利雷從比薩塔上擲下兩個(gè)不同重量圓球的實(shí)驗(yàn)中才被推翻。.延續(xù)了兩千年的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)古希臘的學(xué)者們認(rèn)為，物體下落的快慢是由它們的重量決定的，物體越重，下落得越快。生活在公元前四世紀(jì)的古希臘哲學(xué)家亞里士多德最早闡述了這種看法，他認(rèn)為，物體下落的快慢精確地與它們的重量成正比。亞里士多德的論斷影響深遠(yuǎn)，在其后兩千多年的時(shí)間里，人們一直信奉他的學(xué)說。但是，這種從表面上的觀察得出的結(jié)論實(shí)際上是錯(cuò)誤的。.伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究|16世紀(jì)，意大利學(xué)者伽利略對(duì)亞里士多德的看法提出了質(zhì)疑，并對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了深入的研究。伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究方法大體可歸結(jié)為以下幾發(fā)現(xiàn)問題伽利略發(fā)現(xiàn)亞里士多德的觀點(diǎn)有自相矛盾的地方。伽利略認(rèn)為，如果亞里士多德的觀點(diǎn)是對(duì)的，即重物比輕物下落得快，那么把重物和輕物拴在一起下落，它們將是什么結(jié)果呢？照亞里士多德的說法，重物下落得快，輕物下落的得慢，由于兩物拴在一起，"輕的‘'被''慢的"拉著，"慢的‘'被''快的"拖著，所以兩物拴在一起的速度應(yīng)是不快不慢。同樣，照亞里士多德的說法，兩物拴在一起，應(yīng)該是更重了，那它們應(yīng)該下落得更快。這兩個(gè)結(jié)論都是由亞里士多德的論斷推出來的，但得到的卻是互相矛盾的結(jié)果?？梢?，亞里士多德的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。提出假設(shè)伽利略認(rèn)為，重物與輕物應(yīng)該下落得同樣快。他猜想落體運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是一種最簡單的變速運(yùn)動(dòng)，物體的速度應(yīng)該是均勻變化的。但是，速度的變化怎樣才算是均勻的呢？他考慮了兩種可能：一種是速度的變化對(duì)時(shí)間來說是均勻的，即v與t成正比；另一種是速度的變化對(duì)位移來說是均勻的，即v與x成正比。數(shù)學(xué)推理伽利略通過數(shù)學(xué)運(yùn)算得出：如果v與x成正比，將會(huì)得到荒謬的結(jié)論；如果v與t成正比，它通過的位移x就與t2成正比。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為了便于測量時(shí)間，伽利略設(shè)法用斜面做實(shí)驗(yàn)。他在木制斜槽上蒙上羊皮紙，讓銅球從光滑的羊皮斜槽上滾下，通過上百次對(duì)不同質(zhì)量的小球沿不同傾角的光滑斜面越大的定量研究，發(fā)現(xiàn)小球沿光滑斜面運(yùn)動(dòng)時(shí)通過的位移x確實(shí)與t2成正比，小球的運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)，且傾角一定不同小球的加速度一定，傾角越大加速度越大。合理外推伽利略將他在斜面實(shí)驗(yàn)中得出的結(jié)論做了合理的外推：設(shè)想斜面的傾角越接近900,小球沿斜面滾下的運(yùn)動(dòng)就越接近于自由落體運(yùn)動(dòng)；當(dāng)斜面的傾角達(dá)到900時(shí)，小球就做自由落體運(yùn)動(dòng)。從而，自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，且所有物體自由下落時(shí)的加速度都相同?；A(chǔ)級(jí)仞1伽利略以前的學(xué)者認(rèn)為，物體越重，下落越快。伽利略等一些物理學(xué)家否定了這種看法。（1）在一高塔頂端同時(shí)釋放一片羽毛和一個(gè)玻璃球，玻璃球先于羽毛到達(dá)地面，這主要是因?yàn)椋ǎ〢.它們的質(zhì)量不等B.它們的密度不等C.它們的材料不同D.它們所受的空氣阻力不等（2）在此塔頂端同時(shí)釋放大小相等的實(shí)心鐵球和空心鐵球，下列說法中正確的是（）①它們受到的空氣阻力不等②它們的加速度相等③它們落地的速度不等④它們下落的時(shí)間相等A.①③B.②④C.只有②D.只有③提示羽毛下落時(shí)空氣阻力不能忽略，玻璃球和鐵球下落時(shí)空氣阻力可以忽略。解析（1）玻璃球先于羽毛到達(dá)地面，這主要是因?yàn)橛鹈艿降目諝庾枇Υ蟮木壒?。正確選項(xiàng)為Do（2）大小相等的實(shí)心鐵球和空心鐵球受到的空氣阻力相等。在忽略空氣阻力的情況下，兩球均做自由落體運(yùn)動(dòng)，它們的加速度相等。因下落高度相等，故下落的時(shí)間相等，落地的速度相等。正確選項(xiàng)為Bo點(diǎn)悟羽毛下落得比玻璃球慢，是由于空氣阻力的影響。在空氣阻力很小而可以忽略的情況下，實(shí)心鐵球和空心鐵球均做自由落體運(yùn)動(dòng)，下落的快慢程度相同。要拋棄亞里士多德的錯(cuò)誤觀點(diǎn)，不要以為重物比輕物下落得快。仞2滴水法測重力加速度的過程是這樣的：讓水龍頭的水一滴一滴地滴在其正下方的盤子里，調(diào)整水龍頭，讓前一滴水滴到盤子而聽到聲音時(shí)，后一滴恰好離開水龍頭。從第1次聽到水擊盤聲時(shí)開始計(jì)時(shí)，測出n次聽到水擊盤聲的總時(shí)間為t,用刻度尺量出水龍頭到盤子的高度差為h,即可算出重力加速度。設(shè)人耳能區(qū)別兩個(gè)聲音的時(shí)間間隔為0.1s,聲速為340m/s，則（）A.水龍頭距人耳的距離至少為34mB.水龍頭距盤子的距離至少為34mC.重力加速度的計(jì)算式為D.重力加速度的計(jì)算式為提示從自由落體運(yùn)動(dòng)位移公式出發(fā)進(jìn)行分析。解析只要相鄰兩滴水滴下的時(shí)間間隔超過0.1s,人耳就能分辨出兩滴水的擊盤聲，而與水龍頭距人耳的距離無關(guān)（只要人耳能夠聽到聲音）。在0.1s內(nèi)，水滴下落的距離m=0.05m,]所以，水龍頭距人耳的距離只要超過0.05m就行。水龍頭滴兩滴水的時(shí)間間隔為，由可得o所以，本題正確選項(xiàng)為Do點(diǎn)悟這是一種既"土"又實(shí)用的測定重力加速度的方法，同學(xué)們不妨動(dòng)手做一做。請進(jìn)一步思考：在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，為什么要測從第1滴水滴開始下落到第n滴水滴恰好落到盤中這段時(shí)間，而不是直接測第1滴水滴在空中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間？當(dāng)?shù)?滴水滴落到盤中時(shí)，第2滴水滴離水龍頭的距離為多少？仞3實(shí)驗(yàn)室備有下列儀器：A.長度為1m、最小刻度為毫米的刻度尺；B.長度為1m、最小刻度為分米的刻度尺；C.秒表；D.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器；E.低壓交流電源（50Hz）F.低壓直流電源G.天平。為了測量重錘下落的加速度的數(shù)值，上述儀器中必須有的是（填字母代號(hào)），實(shí)驗(yàn)是通過研究重錘做運(yùn)動(dòng)來測量重錘下落加速度的。把重錘固定在紙帶下端，讓紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，當(dāng)重錘自由下落時(shí)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出一系列的點(diǎn)。取連續(xù)清晰的7個(gè)點(diǎn)，用刻度尺測出第2、3、4、5、6、7各點(diǎn)與第1點(diǎn)的距離d如下表所示：請用這些數(shù)據(jù)求出重力加速度的測量值O點(diǎn)的次序1234567距離d/cm0請用這些數(shù)據(jù)求出重力加速度的測量值O提示算出各點(diǎn)的速度，畫出速度圖象，由圖線的斜率可得重錘下落的加速度即重力加速度；或者由速度值求加速度，再取平均值；也可用逐差法直接求加速度，再取平均值。解析實(shí)驗(yàn)時(shí)，上述儀器中必須有的是：低壓交流電源（50Hz）和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器（用來打點(diǎn)），以及長度為1m、最小刻度為毫米的刻度尺（用來測量點(diǎn)跡之間的距離）。第1空內(nèi)應(yīng)填A(yù)、D、Eo第2空內(nèi)應(yīng)填自由落體運(yùn)動(dòng)。我們用逐差法來求重力加速度的測量值：根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，可得紙帶上相鄰兩點(diǎn)間的距離依次為d1=6.0cm,d2=12.5cm—6.0cm=6,5cm,d3=19.3cm—12.5cm=6.8cm,d4=26.5cm—19.3cm=7.2cm,d5=34.1cm—26.5cm=7.6cm,d6=42.1cm—34.1cm=8.0cm。可得重物下落白加速度為cm/s2=10m/s2,cm/s2*9.17m/s2,cm/s2=10m/s2。從而，重力加速度的測量值為m/s2*9.72m/s2。點(diǎn)悟用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測量物體運(yùn)動(dòng)的加速度，這是最基本的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。要掌握實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材、操作步驟和數(shù)據(jù)處理方法。仞4一種實(shí)驗(yàn)器材叫做光電門，它可以測出某物體經(jīng)過光電門所用的時(shí)間，如果知道物體的寬度，就可以求出這一小段過程的平均速度。你能用這種器材設(shè)計(jì)出研究自由落體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)嗎？提示一小段過程的平均速度可當(dāng)作物體通過光電門時(shí)的瞬時(shí)速度。解析讓物體自由下落，將光電門放在物體經(jīng)過的不同位置，測出物體經(jīng)過光電門所用的時(shí)間△t,量出物體的寬度△x,則物體通過光電門時(shí)的速度v。量出光電門與物體初位置間的距離h,如果能得出的關(guān)系，就可說明物體的運(yùn)動(dòng)是初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。由，可得。多次測量，可求出g的平均值。點(diǎn)悟本題為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題，題目要求根據(jù)提供的器材設(shè)計(jì)研究自由落體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)。根據(jù)題中有關(guān)光電門作用的提示，結(jié)合自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，不難得出測量方法。要注意培養(yǎng)創(chuàng)新精神，提高這種設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。發(fā)展級(jí)仞5在15m高的塔上以4m/s的初速度豎直上拋一個(gè)石子，求經(jīng)過2s后石子離地面的高度。（g取10m/s2）提示用位移公式來計(jì)算。解析由豎直上拋運(yùn)動(dòng)位移公式可得mm=—12m。這表示經(jīng)過2s后石子對(duì)拋出點(diǎn)的位移的大小為12m,方向是豎直向下的，即石子經(jīng)過2s后在塔頂下方12m處，因而離地面的高度為m—12m=3m。點(diǎn)悟上述解法采用了整體分析法，我們也可以分上升運(yùn)動(dòng)和下降運(yùn)動(dòng)兩步來計(jì)算：石子上升到最高點(diǎn)的時(shí)間s=0.4s,離塔頂?shù)淖畲蟾叨萴=0.8m,石子從最高點(diǎn)下落的距離m=12.8m。可見，石子離地面的高度為m+0.8m—12.8m=3m。顯然，這樣分步計(jì)算比較麻煩。例6由地面豎直上拋一個(gè)物體，通過樓房上1.55m高的窗戶，需要0.1s；當(dāng)物體下落時(shí)，由下窗沿落到地面的時(shí)間為0.2s。求物體上升的最大高度。（g取10m/s2）提示應(yīng)用勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)法求出物體豎直上拋的初速度。解析物體做豎直上拋運(yùn)動(dòng)，根據(jù)對(duì)稱性，下