伽利略對自由落體運動的研究

2.6伽利略對自由落體運動的研究1939年西南聯(lián)合大學(xué)的一道招生試題：“伽利略是怎樣研究落體運動的？”

一、綿延兩千年的錯誤亞里士多德：重的物體比輕的物體下落快二、伽利略的智慧伽利略為什么會研究自由落體運動？1.運用邏輯的力量2.美麗的科學(xué)實驗問題：物體下落快慢跟輕重?zé)o關(guān)，它遵循什么規(guī)律？“歸謬法”、巧妙的“思想實驗”3.伽利略的科學(xué)探究定義速度、平均速度、瞬時速度、加速度等概念a.克服概念上的困難b.根據(jù)觀察提出猜想c.實驗驗證猜想伽利略在研究速度與時間關(guān)系時遇到了哪些困難？

間接驗證（測量轉(zhuǎn)換）的思想“沖淡”重力延長小球運動時間d.大膽的外推愛因斯坦：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)推理方法，是人類思想史上最偉大的成就之一，標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端?！比?、伽利略的科學(xué)研究方法核心：實驗與數(shù)學(xué)的和諧結(jié)合課本評價：伽利略之前的科學(xué)躑躅于泥涂荒灘，因而千年徘徊。從伽利略開始，大師輩出，經(jīng)典如云，近代科學(xué)的大門打開了。發(fā)現(xiàn)單擺的等時性研究了物體的重心提出拋體理論討論了材料的強(qiáng)度問題發(fā)明了脈搏計、比重秤、溫度計等發(fā)明、制作望遠(yuǎn)鏡，打開了通向天文學(xué)的大門四、伽利略的其他貢獻(xiàn)伽利略親手制作的望遠(yuǎn)鏡

1610年1月伽利略畫的木星及衛(wèi)星位置變化圖1610年7月伽利略記錄的土星環(huán)

1612年伽利略手繪的太陽黑子圖第1天：關(guān)于固體材料強(qiáng)度的問題；第2天：關(guān)于內(nèi)聚作用的原因，討論了杠桿原理的證明及梁的強(qiáng)度問題；第3天：討論了勻速運動和自然加速運動；第4天：討論了拋射體運動。

向大家推薦兩本書用對話的形式，作了4天的談話。討論了3個問題：1、證明地球在運動；2、充實哥白尼學(xué)說；3、解釋地球的潮汐。“伽利略是怎樣研究落體運動的？”

“伽利略的哪一個科學(xué)素養(yǎng)給你的印象最深？”

謝謝大家！馬克思：“古代世界最偉大的百科全書，古典時代最博學(xué)的人”亞里士多德一生勤奮治學(xué)，從事的研究涉及邏輯學(xué)、修辭學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、教育學(xué)、心理學(xué)、政治學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、美學(xué)等，寫下了大量的著作，據(jù)說有四百到一千部，流傳下來有47種，有《工具論》、《形而上學(xué)》、《物理學(xué)》、《氣象學(xué)》、《倫理學(xué)》、《政治學(xué)》、《詩學(xué)》等。他創(chuàng)立了形式邏輯學(xué)，豐富和發(fā)展了哲學(xué)的各個學(xué)科，他的許多思想對人類產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。教材中（P.46)的一個瑕疵伽利略“我的目的，是提出一門新科學(xué)來處理一個很古老的課題。在自然界中，最古老的課題莫過于運動。盡管哲學(xué)家們對此寫出了卷帙浩繁、內(nèi)容龐雜的著作，我卻發(fā)現(xiàn)運動的某些性質(zhì)仍是值得探討的?！薄斑@是第一次為新的方法打開了大門，這種將帶來大量奇妙成果的新方法，在未來的年代里會博得許多人的重視……。一門廣博精深的科學(xué)已經(jīng)出現(xiàn)，我的工作僅僅是一個開端?！薄秲砷T新科學(xué)的對話》第三天：傳說伽利略在此做過落體實驗，但后來又被嚴(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。塔高56.7m,共八層，始建于1174年，建成時塔頂中心已偏離2.1m.現(xiàn)象：質(zhì)量不同的兩球幾乎同時落地。結(jié)論：重物與輕物下落同樣快。最美麗的十大物理實驗之二觀察：物體在下落過程中速度越來越快猜想：物體下落是一種最簡單的變速運動即速度變化均勻兩種情況：v∝tv∝xP.47如果v與x成正比，將會推導(dǎo)出十分復(fù)雜的結(jié)論。？最美麗的物理實驗之八——伽利略的斜面實驗“取長約12庫比特(1庫比特=0.58m)、寬約半庫比特，三指厚的一塊木板，在上面刻一條一指寬的槽，把它做得非常直而且平滑，并經(jīng)過拋光，再鋪以羊皮紙，盡可能使之平滑。然后沿著它滾動一個硬的、光滑的、非常圓的黃銅球。把這塊木板放在傾斜的位置，使一端比另一端高出1、2庫比特，再讓銅球沿槽滾下，用下述方法記錄滾下所需時間。我們不止一次地重復(fù)這個實驗，使兩次觀測的偏差不超過1/10次脈搏。做過這步并判定其可靠性之后，再讓銅球只滾槽長1/4的距離，測其下降時間，發(fā)現(xiàn)它精確地等于先前的一半。接下來試作其它距離：全程的1/2，2/3，3/4或任一分值。這樣的實驗整整重復(fù)了一百次，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過的距離與時間的平方總成正比，并且對銅球沿之滾下的槽板，各種斜度都保持這樣的關(guān)系?！薄蛾P(guān)于兩門新科學(xué)的對話》P164：“為了測量時間，我們用一個大的盛水的容器，把它放在高處；在容器底部焊上一根小直徑的能給出細(xì)射流的水管，在每一次下落的時間內(nèi)，我們把射出的水收集在一個小玻璃杯內(nèi),不管是對槽的整個長度還是它的部分長度，在每一次水下落后，這樣收集的水都在非常精密的天平上被稱量；這些重量的差別和比例給了我們時間的差別和比例，我們以這樣的精度重復(fù)操作了許多許多次，結(jié)果沒有可以感知的差別?！眴栴}：后人在重復(fù)伽利略上述實驗時，很難得到如此高的精確度。斜面實驗是虛構(gòu)的嗎？模擬伽利略的斜面實驗xt2伽利略選取的長度單位為punti,1punti=29/30mm。這頁數(shù)據(jù)大約記于1604年。結(jié)論：小球沿斜面運動是勻加速直線運動，加速度與斜面的傾角有關(guān)，與小球的質(zhì)量無關(guān)。（13年高考）伽利略的數(shù)據(jù)手稿伽利略設(shè)想，斜面的傾角越接近90°，小球沿斜面滾下的運動越接近自由落體運動。銅球沿斜面滾下，如果斜面傾角超過5°就很難準(zhǔn)確計時。伽利略把他的結(jié)論外推至90°是需要很大的勇氣的。由于受科學(xué)發(fā)展和儀器設(shè)備的限制，當(dāng)時沒有辦法用實驗手段得到真空，所以并不能真正完成一個自由落體運動的實驗。直到牛頓的時代，發(fā)明了抽氣機(jī)，才由牛頓設(shè)計了錢羽管（又稱牛頓管），用實驗證明了在真空中，物體下落速度的確與物體重量無關(guān)。1971年8月，宇航員斯考特在月球上做落體實驗。外推