伽利略与牛顿对物理学的贡献

1、伽利略与牛顿对物理学的贡献摘要 本文分别介绍了伽利略和牛顿的生平、对物理学的贡献，贡献不仅是物理理论方面的成果，还包括他们对科学孜孜不倦的探索精神和高瞻远瞩的科学目光.最后阐述了他们创立的经典物理学所存在的局限性.关键词 伽利略；牛顿；物理学；贡献 一 绪论 （一） 伽利略生平 伽利略（15641642）生于意大利北部佛罗伦萨一个贵族的家庭。他在科学上的创造才能，在青年时代就显示出来了。当他还是比萨大学医科学生时，就发明了能测量脉博速率的摆式计时装置。后来，他的兴趣转向了数学和物理学，26岁就担任了比萨大学的数学教授。由于他在科学上的独创精神，不久就跟拥护亚里士多德传统观点的人们发生了冲突，遭

2、到对手们的排挤，不得不在1591年辞去比萨大学的职务，转而到威尼斯的帕多瓦大学任教。在帕多瓦，伽利略开始研究天文学，成为哥白尼的日心说的热烈支持者。他制造了望远镜，观测到木星的四颗卫星，证明了地球并不是一切天体运动环绕的中心。用望远镜进行观测，他发现了月面的凹凸不平以及乳带似的银河原来是由许许多多独立的恒星组成的。他还制成了空气温度计，这是世界上最早的温度计。这些辉煌的成就，使他获得了巨大的声望。 1610年，伽利略接受了图斯卡尼大公爵的邀请，回到他的故乡，担当了大公爵的宫廷数学家兼哲学家。伽利略这样做的目的是希望大公爵对他的科学研究给予资助。但是不久，他就受到教会的迫害。由于他勇敢的宣传哥白

3、尼的学说，1616年，被传唤到罗马的宗教裁判所。宗教裁判所谴责了哥白尼的学说，并责令伽利略保持沉默。1632年，伽利略发表两种世界观的对话一书，被教会认为违反了1616年的禁令。伽利略被召到罗马囚禁了几个月，受到缺席审判，遭到苦刑和恐吓，并被迫当众跪着表示“公开放弃、诅咒和痛恨地动学说的错误和异端”，最后被判处终身监禁，他的书也被列为禁书。 1632年以后，伽利略专心致志于力学的研究，并于1638年完成了两种新科学的对话。由于教会的禁令，这部书无法在意大利出版，只能在荷兰秘密刊行。这部书是伽利略最伟大和最重要的著作。伽利略首先研究了惯性运动和落体运动的规律，为牛顿第一定律和第二定律的研究铺平了

4、道路。他坚持“自然科学书籍要用数学来写”的观点，倡导实验和理论计算相结合，用实验检验理论的推导。这种研究方法对以后的科学研究工作具有重大的指导意义。（二）牛顿生平 牛顿出生于英国北部林肯郡的一个农民家庭。1661年考上剑桥大学特里尼蒂学校，1665年毕业，这时正赶上鼠疫，牛顿回家避疫两年，期间几乎考虑了他一生中所研究的各个方面，特别是他一生中的几个重要贡献：万有引力定律、经典力学、微积分和光学。 牛顿的研究领域非常广泛，他除了在数学、光学、力学等方面做出卓越贡献外，他还花费大量精力进行化学实验。他常常留在实验室里，不分昼夜的工作。他在化学上花费的时间并不少，却几乎没有取得什么显著的成就。为什么

5、同样一个伟大的牛顿，在不同的领域取得的成就竟那么不一样呢？ 其中一个原因就是各个学科处在不同的发展阶段。在力学和天文学方面，有伽利略、开普勒、胡克、惠更斯等人的努力，牛顿可能用已经准备好的材料，建立起一座宏伟壮丽的力学大厦。正像他自己所说的那样“如果说我看得远，那是因为我站在巨人的肩上”。而在化学方面，因为正确的道路还没有开辟出来，牛顿没法走到可以砍伐材料的地方。 二 伽利略的贡献（一）科学地描述了运动伽利略是第一个把实验引进力学的科学家，他利用实验和数学相结合的方法确定了一些重要的力学定律。1582年前后，他经过长久的实验观察和数学推算，得到了摆的等时性定律。伽利略根据杠杆原理和浮力原理写出

6、了第一篇题为天平的论文。不久又写了论文论重力，第一次揭示了重力和重心的实质并给出准确的数学表达式，因此声名大振。与此同时，他对亚里士多德的许多观点提出质疑。-在15891591年间，伽利略对落体运动作了细致的考察。从实验和理论上否定了统治千余年的亚里士多德关于“落体运动法则”确立了正确的“自由落体定律”，即在忽略空气阻力条件下，重量不同的球在下落时同时落地，下落的速度与重量无关。伽利略对运动基本概念，包括重心、速度、加速度等都作了详尽研究并给出了严格的数学表达式。尤其是加速度概念的提出，在力学史上是一个里程碑。有了加速度的概念，力学中的动力学部分才能建立，而在伽利略之前，只有静力学部分有定量的

7、描述。伽利略曾非正式地提出过惯性定律（见牛顿运动定律）和外力作用下物体的运动规律，这为牛顿正式提出运动第一、第二定律奠定了基础。在经典力学的创立上，伽利略可说是牛顿的先驱。伽利略同时代的法国科学家笛卡儿补充和完善了伽利略的观点，明确指出：除非物体受到外力的作用，物体将永远保持其静止或运动状态。永远不会使自己沿曲线运动，面只保持在直线上运动。他还认为，这应该作为一个原理加以确立，并且是人类整个自然观的基础。伽利略对物体不受外力时的运动作了准确的描述，但他并没有明确指出运动和力之间的关系是什么。而笛卡儿在伽利略的基础上更近了一步，更为接近真理。牛顿在前人工作的基础上，根据自己的研究，系统地总结了力

8、和运动的关系，于1687年发表了他的著作自然哲学的数学原理，提出了三条运动定律，奠定了经典力学的基础。（二）落体运动的研究1638 年伽利略发表了关于两门新科学的对话一书，书中伽利略公布了他的两项重要发现，其中之一是他的自由落体定律。在这个问题上，伽利略推翻了他那个时代几乎所有人都认为落体速度与其重量成正比的错误观点。伽利略认为，自亚氏以来人们借助于“ 四因说”来解释物体的运动，是导致没有意义结果的重要原因。人们应该改变观念，转换视角，从研究“为什么”转变为“怎么样”。为实现这一转变，伽利略转向了对运动现象的数学描述。他把运动物体看作质点，排除了形状对运动的影响。他不考虑空气的作用，在纯化了的

9、条件下凸显出落体运动的主要特征他定义了匀速运动，并重点观察了落体运动的下落方式，考察了运动变化的性质。他发现落体在重力的持久作用下，速度并不均匀，而是有规则的变化，这种规则性表现出一种规律，那就是在相等的时间间隔内速度的增量保持不变。我们用符号形式反映出来，就是。伽利略把这种运动又定义为匀加速运动。可见，在伽利略看来，匀速直线运动与匀加速直线运动是两种不同的运动状态，匀速直线运动可以不受力的作用，但自由落体是在重力的持续作用下，才会匀加速下落的。因此，伽利略揭示出:力是改变物体运动状态的原因。在确定了时间和速度的正比关系后，伽利略用几何方法证明了自由落体运动的路程和时间的关系，路程为： 按照伽

10、利略的观点，一切物体下落的速度与其重量无关，在真空中都以同样的加速度下落。1 惯性思想的提出伽利略认为，亚氏的许多命题都是错的。首先，地球不是静止的，而是运动的，那么在运动的地球上如何解释上面的现象呢？伽利略认为：同地球保持一致是这个球作为地球上的物体无法摆脱且不可分离地参与了的基本的、永恒的运动，物体凭借本性具有这种运动并且将永远拥有这种运动。当球从塔上下落到地球上时， 由于没有原因促使球自西向东运动停止，所以它与塔保持一致。 伽利略还通过图1的理想实验进一步表达了他的思想。把一个小球放在具有一定高度的光滑斜面AB上，这个小球必然自发地沿着斜面加速地滚下来，到达B点小球获得一定的速度，这个速

11、度可使小球沿着光滑斜面BC减速地上升到同样高度。 图1理想实验 如若把BC面变成光滑的、无限长的水平面，由于小球在B点获得的速度既不能增加也不能减少，小球就会以这个速度一直运动下去。这种在亚氏学派看来，不可能存在的运动形式被伽利略揭示出来: 一个不受力的物体也会运动。事实证明，力不是维持物体运动状态的原因，运动是物体的固有属性。伽利略没有使用“惯性”这个词，但他已表达出惯性的思想。遗憾的是，伽利略遵循旧传统认为物体这种基本的、永恒的运动是匀速圆周运动，但对无限大的地球局部来说，圆周曲线运动等同于直线运动。2 抛体运动的研究有了惯性运动思想和自由落体运动的性质，伽利略扩大了他的研究范围，开始讨论

12、抛体运动。伽利略认为抛体的运动具有匀速运动和自然加速运动的复合运动的性质。他在其著作关于两门新科学的对话中谈到:“ 设想任意一个质点沿水平面无摩擦地投掷；如果这个平面是无限的，这个质点将沿平面作均匀的和永恒的运动。如果这个平面是有限的或被提高了的，则运动质点(我们想象它有重量)就将穿过平面的边界， 在它原先所作的匀速的、永恒的运动外，由于自身的重量而获得一个向下运动的倾向，以至于所产生称之为抛射的运动是一种水平匀速运动和另一垂直自然加速运动的复合。”并证明了“由一个水平匀速运动与一个垂直自然加速运动复合而成的抛射运动描绘的路径是一条半抛线。” 伽利略就这样用新观念解决了多少世纪遗留下来的抛物体

13、的曲线问题。把抛体运动看作是水平的匀速运动和竖直向下的自然加速运动的合成后，伽利略认为， 抛体运动的速度也应该具有复合性质，它应该是两个分速度合成的总效应。于是他又用几何方法证明了以下命题：当一个物体的运动是由水平的匀速运动和垂直方向的自然加速运动合成时， 则合速度的平方等于两个分速度的平方之和。这是伽利略的又一重大发现，伽利略把运动同物体的本质属性分离开来，通过对抛体速度的讨论，不仅改变了自亚氏以来人们思想中固有的错误观念，而且揭示出自然界运动所遵循的简单性法则运动的独立性和叠加性。由于运动的独立性，所以运动与运动不会相互影响。这样一来，一个物体可以同时具有几个运动，合运动的结果遵从纯粹的几

14、何学法则。相反，每一种运动也可以遵从相同的规则分解为若干个分运动。伽利略的工作并没有到此为止，他又通过物体的平抛运动，深入到大炮发出的抛射体，那是一条抛物线。他把沿各种不同倾角发出的抛射体的轨迹的射程( 幅度) 和高度计算出来，并制成精细的表格，计算结果证明，对于一定的初速度，当 时，射程最大。并揭示出，若初速度不变，仰角比45度增大或减少一个相等角度的抛体，其射程相等。3 提出相对性原理 在发现惯性定律的基础上，伽利略提出了相对性原理：力学规律在所有惯性坐标系中是等价的。力学过程对于静止的惯性系和运动的惯性系是完全相同的。换句话说，在一系统内部所作任何力学的实验都不能够决定一惯性系统是在静止

15、状态还是在作等速直线运动。伽利略在对话中写道：当你在密闭的运动着的船舱里观察力学过程时，“只要运动是匀速的，决不忽左忽右摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化，你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。即使船运动得相当快，在跳跃时，你将和以前一样，在船底板上跳过相同的距离，你跳向船尾也不会比跳向船头来得远，虽然你跳到空中时，脚下的船底板向着你跳的相反方向移动。你把不论什么东西扔给你的同伴时，不论他是在船头还是在船尾，只要你自己站在对面，你也并不需要用更多的力。如果点香冒烟，则将看到烟像一朵云一样向上升起，不向任何一边移动。这些一致的现象，其原因在于船的运动是船上一切事物所共有

16、的，也是空气所共有的。”相对性原理是伽利略为了答复地心说对哥白尼体系的责难而提出的。这个原理的意义远不止此，它第一次提出惯性参照系的概念，这一原理被爱因斯坦称为伽利略相对性原理，是狭义相对论的先导。3.1 首创科学的研究方法伽利略设计的实验虽是想象中的，但却是建立在可靠的事实的基础上。把研究的事物理想化，就可以更加突出事物的主要特征，化繁为简，易于认识其规律。伽利略关于运动理论的研究工作，采用了一个对近代科学的发展很有效的程序，即对现象的一般观察提出工作假设运用数学和逻辑的手段得出特殊推论 通过物理实验对推论进行检验对假设进行修正和推广，等等。 3.2 对天文学的贡献在天文学方面，伽利略的贡献

17、是极其巨大的。在早年他曾给学生们开设天文学课程，讲解托勒密的行星理论。但是，他最根本的宇宙观核心是维护和坚持发展哥白尼学说。伽利略的日心说观点完全建立在对天文进行长期观测所获得的大量新发现的可靠事实基础之上。1608年，荷兰眼镜工匠李普塞制成了世界上第一架望远镜。伽利略得知后，立即着手从事望远镜的设计和制作，经过多次实验，终于在1609年到1610年间设计并制造了放大33倍的天文望远镜。2这一望远镜是用凸透镜作为物镜，以凹透镜作为目镜构成的。利用自己制作的望远镜，伽利略进行了长期、大量的天体观测。伽利略首先对月球进行了观测，他发现了月球表面有深谷、高山和平原。他甚至根据测出的影子确定了月球上山

18、脉的高度。伽利略将望远镜指向天空的任何部分都可以看到无数的星体，肉眼看来是一条连续的光带的银河，原来也是由数不清的暗淡的星星组成的。伽利略还观察到了金星像月亮一样发生周相的变化，而且在不同位相时其视大小也互不相同。这表明，正如哥白尼所说的一样，金星是围绕太阳运转的。他还发现，太阳也不是光洁无瑕的，它的表面上有黑子。从黑子在太阳表面上有规律的运动，他断定太阳以二十七天左右的周期进行转动。伽利略还观测到了土星的光环，当时他认为这些光环是由无数的卫星所组成的。伽利略自己认为他最重要的天文观测成果是土星卫星的发现。1610年1月17日，伽利略观测到木星有三颗卫星，经过连续几周的跟踪观察，他发现了木星有

19、四颗卫星，即木卫1木卫四。3.4 科学实验方法的贡献所谓科学实验，就是人们根据研究的目的，利用科学仪器设备人为地控制、模拟、创造或纯化某种自然现象过程，排除干扰、突出主要因素，在有利的条件下去研究自然规律的一种科学活动。4在伽利略的科学生涯中，不仅强调观察和实验的重要性，而且同时强调理性与经验的同等重要，是在经验的基础上，通过理性的数学建构来达到对客观自然界的认识。伽利略通过其毕生的努力，创立了科学实验方法。由于伽利略卓有成效的工作和精辟的科学思想，把科学实验方法发展到了一个完全新的高度，使物理学走上了真正科学的道路，也为近代自然科学系统地、全面地发展，开辟了广阔的前景。伽利略把理论和实验紧密

20、而和谐地结合在一起，构成了一套完整的科学研究方法，有力地推动了近代科学的发展。正是这种新方法“逻辑推理与科学实验相结合”使物理学摆脱了依靠形而上学的思辨、自觉、猜测和定性的议论的状况，走上了坚实的科学的道路，尽管伽利略没有把实验作为理论的唯一支点，但实验还是改变了科学的性质和方向。正是在这个意义上，伽利略被称为科学实验方法的创始人和近代科学的奠基人。三 牛顿的贡献 （一）牛顿第一定律 牛顿在伽利略等人的研究基础上，并根据他自己的研究，系统的总结力学的知识，提出了三条运动定律，其中第一条运动定律是：任何一个物体在不受外力或受平衡力的作用时，总是保持静止状态或匀速直线运动状态，直到有作用在它上面的

21、外力迫使它改变这种状态为止。6一切物体都具有惯性，物体的运动并不需要力来维持。惯性是物体的固有性质，不论物体处于什么状态都具有惯性。而牛顿第一定律却正确的揭示了运动和力的关系：力不是维持速度的原因，而是改变物体速度的原因。 另一种表述是当质点距离其他质点足够远时，这个质点就作匀速直线运动或保持静止状态。即：质量是惯性大小的量度。 惯性大小只与质量有关，与速度和接触面的粗糙程度无关。 质量越大，克服惯性做功越大；质量越小，克服惯性做功越小。 1 牛顿第二定律物体的加速度跟物体所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。6公式： 单位：N（牛）或者千克米每二次方秒N=(

22、kg.m)/ 牛顿第二定律说明：只有物体受到力的作用，物体才具有加速度。力恒定不变，加速度也恒定不变；力随着时间改变，加速度也随着时间改变。在某一时刻，力停止作用，加速度也随着即消失，物体由于具有惯性，将保持该时刻的运动状态不再改变。 2 牛顿第三定律 牛顿第三定律的内容主要有：两个物体之间的作用力和反作用力，总是同时在同一条直线上，大小相等，方向相反。力不能离开物体单独存在。6（力的作用是相互的。同时出现，同时消失；相互作用力一定是相同性质的力；作用力和反作用力作用在两个物体上，产生的作用不能相互抵消；作用力也可以叫做反作用力，只是选择的参照物不同；作用力和反作用力因为作用点不在同一个物体上

23、，所以不能求合力。）3 万有引力定律任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引。该引力的大小与它们的质量乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两物体的化学本质或物理状态以及中介物质无关。万有引力定律是解释物体之间的相互作用的引力的定律，是物体（质点）间由于它们的引力质量而引起的相互吸引力所遵循的规律，是牛顿在前人（开普勒、胡克、雷恩、哈雷）研究的基础上，凭借他超凡的数学能力证明，在1687年于自然哲学的数学原理上发表的。 即定律是：自然界中任何两个物体都是相互吸引的，引力的大小与两物体的质量的乘积成正比，与两物体间距离的平方成反比。公式表示（） F: 两个物体之间的引力 G: 万有引力常量 :

24、物体1的质量 : 物体2的质量 R: 两个物体之间的距离 万有引力定律揭示了天体运动的规律，在天文学上和宇宙航行计算方面有着广泛的应用。它为实际的天文观测提供了一套计算方法，可以只凭少数观测资料，就能算出长周期运行的天体运动轨道，科学史上哈雷彗星、海王星、冥王星的发现，都是应用万有引力定律取得重大成就的例子。利用万有引力公式，开普勒第三定律等还可以计算太阳、地球等无法直接测量的天体的质量。牛顿还解释了月亮和太阳的万有引力引起的潮汐现象，他依据万有引力定律和其他力学定律，对地球两极呈扁平形状的原因和地轴复杂的运动，也成功的做了说明。推翻了古代人类认为的神之引力。 3.1 三菱镜色散之研究并发明反

25、射式望远镜在牛顿之前，伽利略首先把他所制作的望远镜用在天象观测上。伽利略式的望远镜是以一片会聚透镜为目镜、一片发散透镜为物镜的望远镜。还有当时盛行的由两片会聚透镜组成的开普勒望远镜，两种望远镜都无法消除物镜的色散。而牛顿发明以金属磨成的反射镜代替会聚透镜作为物镜，这样就避免了物镜的色散。当时牛顿制成的望远镜长6英寸，直径1英寸，放大率为3040倍，经过改进，1671年他制作了第二架更大的反射式望远镜，并送到皇家学会评审。这台望远镜被皇家学会作为珍贵科学文物收藏起来。为了制造反射式望远镜，牛顿亲自冶炼合金和研磨镜面。牛顿自幼爱好动手制模型，这对他在光学实验上的成功有极大帮助。3.2 近代物理的起

26、源在相对论建立之前，物理学关于时间和空间的观念，是牛顿的绝对时空观。牛顿的绝对时空观认为时间和空间互相独立各具有绝对的含意，与物质和运动的情形无关。而速度接近光速的高速领域，物理研究的经验表明，时间和空间互相联系，并不互相独立。它们作为统一的四维时空的不同侧面，与惯性参考系的选择有关，只有统一的四维时空，才具有与惯性参考系选择无关的绝对意义。这就是爱因斯坦的效益相对立的时空观念，也是现代物理的起源。 四 经典力学的局限性处于宏观物体的低速运动（指远小于光速的运动）问题，经典力学是完全适用的。20世纪初，著名的物理学家爱因斯坦提出了相对论，改变了经典力学的一些结论，物体的质量是固定不变的，而相对论指出质量要随着速度的增大而增大。在低速运动中，质量的增大十分微小，经典力学完全适用。当速度接近光速c时，质量约增大到原质量的1.7倍。这时，经典力学就不适用了。19世纪末和20世纪初以来，物理学的研究深入到微观世