伽利略对自由落体运动的研究

1、2.6伽利略对自由落体运动的研究伽利略对自由落体运动的研究1939年西南联合大学的一道招生试题：年西南联合大学的一道招生试题：“伽利略是怎样研究落体运动的？伽利略是怎样研究落体运动的？” 一、绵延两千年的错误一、绵延两千年的错误亚里士多德：重的物体比轻的物体下落快亚里士多德：重的物体比轻的物体下落快二、伽利略的智慧二、伽利略的智慧伽利略为什么会研究自由落体运动？伽利略为什么会研究自由落体运动？1. 运用逻辑的力量运用逻辑的力量2. 美丽的科学实验美丽的科学实验问题：物体下落快慢跟轻重无关，它遵循什么规律问题：物体下落快慢跟轻重无关，它遵循什么规律？“归谬法归谬法”、巧妙的、巧妙的“思想实验思想

2、实验” 3. 伽利略的科学探究伽利略的科学探究定义速度、平均速度、瞬时速度、加速度等概念定义速度、平均速度、瞬时速度、加速度等概念a.克服概念上的困难克服概念上的困难b. 根据观察提出猜想根据观察提出猜想c. 实验验证猜想实验验证猜想伽利略在研究速度与时间关系时遇到了哪些困难？伽利略在研究速度与时间关系时遇到了哪些困难？ 间接验证（测量转换）的思想间接验证（测量转换）的思想“冲淡冲淡”重力延长小球运动时间重力延长小球运动时间d. 大胆的外推大胆的外推爱因斯坦：爱因斯坦：“伽利略的发现以及他所应用的科学推理方伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学法，

3、是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的真正开端。的真正开端。” 三、伽利略的科学研究方法三、伽利略的科学研究方法核心：核心：实验与数学的和谐结合实验与数学的和谐结合课本评价：伽利略之前的科学踯躅于泥涂荒滩，因而千课本评价：伽利略之前的科学踯躅于泥涂荒滩，因而千年徘徊。从伽利略开始，大师辈出，经典如云，近代科年徘徊。从伽利略开始，大师辈出，经典如云，近代科学的大门打开了。学的大门打开了。发现单摆的等时性发现单摆的等时性研究了物体的重心研究了物体的重心提出抛体理论提出抛体理论讨论了材料的强度问题讨论了材料的强度问题发明了脉搏计、比重秤、温度计等发明了脉搏计、比重秤、温度计等发明、制作望远镜

4、，打开了通向天文学的大门发明、制作望远镜，打开了通向天文学的大门四、伽利略的其他贡献四、伽利略的其他贡献伽利略亲手制作的望远镜伽利略亲手制作的望远镜 1610年年1月伽利略画的木星月伽利略画的木星及卫星位置变化图及卫星位置变化图1610年年7月伽利略记录的土星环月伽利略记录的土星环 1612年伽利略手绘的太阳黑子图年伽利略手绘的太阳黑子图第第1天：关于固体材料强度的问题；天：关于固体材料强度的问题；第第2天：关于内聚作用的原因，讨论了杠杆天：关于内聚作用的原因，讨论了杠杆原理的证明及梁的强度问题；原理的证明及梁的强度问题；第第3天：讨论了匀速运动和自然加速运动；天：讨论了匀速运动和自然加速运动

5、；第第4天：天：讨论了讨论了抛射体运动。抛射体运动。向大家推荐两本书向大家推荐两本书用对话的形式，作了用对话的形式，作了4天的谈话。天的谈话。讨论了讨论了3个问题：个问题：1、证明地球在运动；、证明地球在运动；2、充实哥白尼学说；、充实哥白尼学说；3、解释地球的潮汐。、解释地球的潮汐。“伽利略是怎样研究落体运动的？伽利略是怎样研究落体运动的？” “伽利略的哪一个科学素养给你的印象最深？伽利略的哪一个科学素养给你的印象最深？” 谢谢大家！谢谢大家！马克思：马克思：“古代世界最伟大的百科全书，古典时代古代世界最伟大的百科全书，古典时代最最 博学的人博学的人” 亚里士多德一生勤奋治学，从事的研究涉及

6、逻辑学、修亚里士多德一生勤奋治学，从事的研究涉及逻辑学、修辞学、物理学、生物学、教育学、心理学、政治学、经济学、辞学、物理学、生物学、教育学、心理学、政治学、经济学、美学等，写下了大量的著作，据说有四百到一千部，流传下美学等，写下了大量的著作，据说有四百到一千部，流传下来有来有47种，有种，有工具论工具论、形而上学形而上学、物理学物理学、 气象学气象学 、伦理学伦理学、政治学政治学、诗学诗学等。他创立了形式逻辑学，丰富和等。他创立了形式逻辑学，丰富和发展了哲学的各个学科，他的许多思想对人类发展了哲学的各个学科，他的许多思想对人类产生了深远的影响。产生了深远的影响。教材中（教材中（P.46)的一

7、个瑕疵的一个瑕疵伽利略伽利略 “我的目的，是提出一门新科学来处理一个很古老的课我的目的，是提出一门新科学来处理一个很古老的课题。在自然界中，最古老的课题莫过于运动。尽管哲学家们题。在自然界中，最古老的课题莫过于运动。尽管哲学家们对此写出了卷帙浩繁、内容庞杂的著作，我却发现运动的某对此写出了卷帙浩繁、内容庞杂的著作，我却发现运动的某些性质仍是值得探讨的。些性质仍是值得探讨的。” “这是第一次为新的方法打开了大门，这种将带来大量这是第一次为新的方法打开了大门，这种将带来大量奇妙成果的新方法，在未来的年代里会博得许多人的重奇妙成果的新方法，在未来的年代里会博得许多人的重视视。一门广博精深的科学已经出

8、现，我的工作仅仅是一。一门广博精深的科学已经出现，我的工作仅仅是一个开端。个开端。”两门新科学的对话两门新科学的对话第三天：第三天：传说伽利略在此做过落体实验，但后传说伽利略在此做过落体实验，但后来又被严谨的考证否定了。尽管如此，来又被严谨的考证否定了。尽管如此，来自世界各地的人们都要前往参观，来自世界各地的人们都要前往参观，他们把这座古塔看做伽利略的纪念碑。他们把这座古塔看做伽利略的纪念碑。塔高塔高56.7m,共八层，共八层，始建于始建于1174年，建年，建成时塔顶中心已偏成时塔顶中心已偏离离2.1m.现象：质量不同现象：质量不同的两球几乎同时的两球几乎同时落地。落地。结论：重物与轻物结论：

9、重物与轻物下落同样快。下落同样快。最美丽的十大物理实验之二最美丽的十大物理实验之二观察：物体在下落过程中速度越来越快观察：物体在下落过程中速度越来越快猜想：物体下落是一种最简单的变速运动猜想：物体下落是一种最简单的变速运动即速度变化均匀即速度变化均匀两种情况：两种情况：vtvxP.47如果如果v与与x成正比，将会推导出十分复杂的结论。成正比，将会推导出十分复杂的结论。？最美丽的物理实验之八最美丽的物理实验之八伽利略的斜面实验伽利略的斜面实验“取长约取长约12库比特库比特(1库比特库比特=0.58m)、宽约半库比特，三指厚、宽约半库比特，三指厚的一块木板，在上面刻一条一指宽的槽，把它做得非常直而

10、的一块木板，在上面刻一条一指宽的槽，把它做得非常直而且平滑，并经过抛光，再铺以羊皮纸，尽可能使之平滑。然且平滑，并经过抛光，再铺以羊皮纸，尽可能使之平滑。然后沿着它滚动一个硬的、光滑的、非常圆的黄铜球。把这块后沿着它滚动一个硬的、光滑的、非常圆的黄铜球。把这块木板放在倾斜的位置，使一端比另一端高出木板放在倾斜的位置，使一端比另一端高出1、2库比特，再库比特，再让铜球沿槽滚下，用下述方法记录滚下所需时间。我们不止让铜球沿槽滚下，用下述方法记录滚下所需时间。我们不止一次地重复这个实验，使两次观测的偏差不超过一次地重复这个实验，使两次观测的偏差不超过1/10次脉搏。次脉搏。做过这步并判定其可靠性之后

11、，再让铜球只滚槽长做过这步并判定其可靠性之后，再让铜球只滚槽长1/4的距离，的距离，测其下降时间，发现它精确地等于先前的一半。接下来试作测其下降时间，发现它精确地等于先前的一半。接下来试作其它距离：全程的其它距离：全程的1/2，2/3，3/4或任一分值。这样的实验整或任一分值。这样的实验整整重复了一百次，发现经过的距离与时间的平方总成正比，整重复了一百次，发现经过的距离与时间的平方总成正比，并且对铜球沿之滚下的槽板，各种斜度都保持这样的关系。并且对铜球沿之滚下的槽板，各种斜度都保持这样的关系。” 关于两门新科学的对话关于两门新科学的对话P164：“为了测量时间，我们用一个大的盛水的容器，把它放

12、在为了测量时间，我们用一个大的盛水的容器，把它放在高处；在容器底部焊上一根小直径的能给出细射流的水管，高处；在容器底部焊上一根小直径的能给出细射流的水管，在每一次下落的时间内，我们把射出的水收集在一个小玻在每一次下落的时间内，我们把射出的水收集在一个小玻璃杯内璃杯内, 不管是对槽的整个长度还是它的部分长度，在每不管是对槽的整个长度还是它的部分长度，在每一次水下落后，这样收集的水都一次水下落后，这样收集的水都在非常精密的天平上被称量；这些重在非常精密的天平上被称量；这些重量的差别和比例给了我们时间的差别量的差别和比例给了我们时间的差别和比例，我们以这样的精度重复操作和比例，我们以这样的精度重复操

13、作了许多许多次，结果没有可以感知的了许多许多次，结果没有可以感知的差别。差别。”问题：后人在重复伽利略上述实验时，很难得到如此高的问题：后人在重复伽利略上述实验时，很难得到如此高的精确度。斜面实验是虚构的吗？精确度。斜面实验是虚构的吗？模拟伽利略的斜面实验模拟伽利略的斜面实验xt2伽利略选取的长度单位为伽利略选取的长度单位为punti,1punti=29/30mm。这。这页数据大约记于页数据大约记于1604年。年。123222123xxxttt 常常量量结论：小球沿斜面运动是匀加速直结论：小球沿斜面运动是匀加速直线运动，加速度与斜面的倾角有关，线运动，加速度与斜面的倾角有关，与小球的质量无关。

14、与小球的质量无关。（13年高考）年高考）伽利略的数据手稿伽利略的数据手稿伽利略设想，斜面的倾角越接近伽利略设想，斜面的倾角越接近90，小球沿斜面滚下的运动越接，小球沿斜面滚下的运动越接近自由落体运动。近自由落体运动。铜球沿斜面滚下，如果斜面倾角超过铜球沿斜面滚下，如果斜面倾角超过5就很难准确计时。伽利略就很难准确计时。伽利略把他的结论外推至把他的结论外推至90是需要很大的勇气的。是需要很大的勇气的。由于受科学发展和仪器设备的限制，当时没有办法用实由于受科学发展和仪器设备的限制，当时没有办法用实验手段得到真空，所以并不能真正完成一个自由落体运验手段得到真空，所以并不能真正完成一个自由落体运动的实

15、验。直到牛顿的时代，发明了抽气机，才由牛顿动的实验。直到牛顿的时代，发明了抽气机，才由牛顿设计了钱羽管（又称牛顿管），用实验证明了在真空中，设计了钱羽管（又称牛顿管），用实验证明了在真空中，物体下落速度的确与物体重量无关。物体下落速度的确与物体重量无关。 1971年年8月，宇航员月，宇航员斯考特在月球上做斯考特在月球上做落体实验。落体实验。外推的证实：外推的证实：1999年年8月，朱棣文领导斯坦福大学的一个研究小组，通月，朱棣文领导斯坦福大学的一个研究小组，通过过”坠落坠落”原子精确测算了单个原子的重力加速度，发原子精确测算了单个原子的重力加速度，发现它与宏观物体所受的重力加速度相同，原子下落

16、的速现它与宏观物体所受的重力加速度相同，原子下落的速度也与其重量无关。朱棣文完成了现代版的度也与其重量无关。朱棣文完成了现代版的“比萨斜塔比萨斜塔实验实验”，成为，成为“1999年世界十大科技进展年世界十大科技进展”之一。之一。托马斯杨的双缝演示应用于电子干涉试验排名第一。牛顿和托马斯杨对光的性质研究得出的结论都不完全正确。光既不是简单的由微粒构成，也不是一种单纯的波。20世纪初，麦克斯普克朗和艾伯特爱因斯坦分别指出一种叫光子的东西发出光和吸收光。但是其他试验还是证明光是一种波状物。经过几十年发展的量子学说最终总结了两个矛盾的真理：光子和亚原子微粒，(如电子、光子等等)是同时具有两种性质的微粒

17、，物理上称它们：波粒二象性。将托马斯杨的双缝演示改造一下可以很好的说明这一点。科学家们用电子流代替光束来解释这个实验。根据量子力学，电粒子流被分为两股，被分得更小的粒子流产生波的效应，他们相互影响，以至产生像托马斯杨的双缝演示中出现的加强光和阴影。这说明微粒也有波的效应。是谁最早做了这个试验已经无法考证。根据刊登在今日物理杂志的一篇论文看，人们推测应该是在1961年 伽利略的自由落体试验 排名第二。在16世纪末,人人都认为重量大的物体比重量小的物体下落的快因为伟大的亚里士多德是这么说的。伽利略，当时在比萨大学数学系任职，他大胆的向公众的观点挑战，他从斜塔上同时扔下一轻一重的物体，让大家看到两个

18、物体同时落地。他向世人展示尊重科学而不畏权威的可贵精神。罗伯特米利肯的油滴试验编辑排名第三。很早以前，科学家就在研究电。人们知道这种无形的物质可以从天上的闪电中得到，也可以通过摩擦头发得到。1897年，英国物理学家托马斯已经得知如何获取负电荷电流。1909年美国科学家罗伯特米利肯开始测量电流的电荷。他用一个香水瓶的喷头向一个透明的小盒子里喷油滴。小盒子的顶部和底部分别放有一个通正电的电板，另一个放有通负电的电板。当小油滴通过空气时，就带有了一些静电，他们下落的速度可以通过改变电板的电压来控制。经过反复试验米利肯得出结论：电荷的值是某个固定的常量，最小单位就是单个电子的带电量。牛顿的棱镜分解太阳

19、光排名第四。艾萨克牛顿出生那年，伽利略与世长辞。牛顿1665年毕业于剑桥大学的三一学院。当时大家都认为白光是一种纯的没有其它颜色的光，而有色光是一种不知何故发生变化的光(又是亚里士多德的理论)。为了验证这个假设，牛顿把一面三棱镜放在阳光下，透过三棱镜，光在墙上被分解为不同颜色，后来我们称作为光谱。人们知道彩虹的五颜六色，但是他们认为那时因为不正常。牛顿的结论是：正是这些红、橙、黄、绿、青、蓝、紫基础色有不同的色谱才形成了表面上颜色单一的白色光，如果你深入地看看，会发现白光是非常美丽的。 托马斯杨的光干涉试验 排名第五。牛顿也不是永远都对。牛顿曾认为光是由微粒组成的，而不是一种波。1830年英国

20、医生也是物理学家的托马斯杨向这个观点挑战。他在百叶窗上开了一个小洞，然后用厚纸片盖住，再在纸片上戳一个很小的洞。让光线透过，并用一面镜子反射透过的光线。然后他用一个厚约1/30英寸的纸片把这束光从中间分成两束。结果看到了相交的光线和阴影。这说明两束光线可以像波一样相互干涉。这个试验为一个世纪后量子学说的创立起到了至关重要的作用。卡文迪许扭秤试验排名第六。牛顿的另一大贡献是他的万有引力理论：两个物体之间的吸引力与他们质量的平方成正比，与他们距离的平方成反比。但是万有引力到底多大？18世纪末，英国科学家亨利卡文迪许决定要找到一个计算方法。他把两头带有金属球的6英尺木棒用金属线悬吊起来。再用两个350磅重的皮球放在足够近的地方，以吸引金属球转动，从而使金属线扭动，然后用自制的仪器测量出微小的转动。测量结果惊人的准确，他测出了万有引力的参数恒量。在卡文迪许的基础上可以计算地球的密度和质量。地球重：6.01024公斤，或者说13万亿万亿磅。埃拉托色尼测量地球圆周排名第七。在公元前3