第二节《温度的测量》教案拓展知识背景(北师大版初二上)伽利略

第二节《温度的测量》教案拓展知识背景（北师大版初二上）伽利略伽利略〔1564～1642〕1564年2月15日生于意大利西北部的比萨城，父亲芬琴齐奥·伽利莱熟知音乐理论和声学，著有«音乐对话»一书。1574年全家迁往意大利东部的大都市佛罗伦萨。伽利略自幼受父亲的阻碍，对音乐、诗歌、绘画以及机械爱好极浓；也像他父亲一样，不迷信权威。17岁时遵从父命进比萨大学学医，但是对医学他感到枯燥无味，而在课外听家族世交、闻名学者O·里奇讲欧几里得几何学和阿基米德静力学，感到浓厚爱好。后来成为伟大的物理学家、天文学家、科学革命的先驱，是人类改变世界的大科学家之一，1642年1月8日病逝，终年78岁。他的学术生涯可分为以下三个时期1．早年活动时期1583年，伽利略在比萨教堂里注意到一盏悬灯的摆动，随后用线悬铜球作模拟实验，确证了微小摆动的等时性以及摆长对周期的阻碍，由此创制出脉博计用来测量短时刻间隔。1585年因家贫退学，担任家庭教师，但仍奋力自学。1586年，他发明了浮力天平，并写出论文«小天平»。1587年他带着关于固体重心运算法的论文到罗马大学求见闻名数学家和历法家C.克拉维乌斯教授，大受赞扬和鼓舞。克拉维乌斯回赠他罗马大学教授P.瓦拉的逻辑学讲义与自然哲学讲义，这关于他以后的工作大有关心。1588年他在佛罗伦萨研究院做了关于但丁«神曲»中炼狱图形构想的学术演讲，其文学与数学才华大受人们颂扬。次年发表了关于几种固体重心运算法的论文，其中包括假设干静力学新定理。由于这些成就，当年比萨大学便聘请他任教，讲授几何学与天文学。第二年他发觉了摆线。当时比萨大学教材均为亚里士多德学派的学者所撰，书中充斥着神学与形而上学的教条。伽利略经常发表辛辣的反对意见，由此受到校内该学派的鄙视和排挤。1591年其父病逝，家庭负担加重，他便决定离开比萨。2．帕多瓦时期，1592年伽利略转到帕多瓦大学任教。帕多瓦属于威尼斯公国，远离罗马，不受教廷直截了当操纵，学术思想比较自由。在此良好气氛中，他经常参加校内外各种学术文化活动，与具有各种思想观点的同事论辩。现在他一面吸取前辈如N.F.塔尔塔利亚、G.B.贝内代蒂、F.科门迪诺等人的数学与力学研究成果，一面经常考察工厂、作坊、、矿井和各项军用民用工程，广泛结交各行业的技术职员，帮他们解决技术难题，从中吸取生产技术知识和各种新体会，并得到启发。在现在期，他深入而系统地研究了落体运动、抛射体运动、静力学、水力学以及一些土木建筑和军事建筑等；发觉了惯性原理，研制了温度计和望远镜。1597年，他收到J．开普勒赠阅的«奇异的宇宙»一书，开始相信日心讲，承认地球有公转和自转两种运动。但这时他对柏拉图的圆运动最自然最完美的思想印象太深，以致对开普勒的行星椭圆轨道理论不感爱好。1604年天空显现超新星，亮光连续18个月之久。他便趁机在威尼斯作几次科普演讲，宣传哥白尼学讲。由于讲得精采动听，听众逐次增多，最后达千余人。1609年7月，盛传一荷兰眼镜工人发明了供人玩赏的望远镜。他未见到实物，摸索几日后，用风琴管和凸凹透镜各一片制成一个望远镜，倍率为3，后又提高到9。他邀请威尼斯参议员到塔楼顶层用望远镜观看远景，观者无不惊喜万分。参议院随后决定他为帕多瓦大学的终身教授。1610年初，他又将望远镜放大率提高到33，用来观看日月星辰，新发觉甚多，如月球表面高低不平，月球与其他行星所发的光差不多上太阳的反射光，水星有4颗卫星，银河原是许多发光体的总汇，土星有多变的椭圆外形等等，开创了天文学的新天地。是年3月，出版了他的«星空信使»一书，震动全欧。随后又发觉金星盈亏与大小变化，这对日心讲是一强有力的支持。伽利略日后回忆在帕多瓦的18年时，认为这是他一生中工作最开展、精神最舒服的时期。事实上，这也是他一生中学术成就最多的时期。3．托斯卡纳时期20年来伽利略在物理学和天文学研究上的丰硕成果，激起了他学术上的更大企求。为了取得有充裕时刻致力于科学研究，1610年春，他辞去大学教职，同意托斯卡纳公国大公聘请，担任宫廷首席数学家和哲学家的闲职与比萨大学首席数学教授的荣誉职位。为了使科学免受教会干预，伽利略曾多次去罗马活动。1611年他第二次去罗马，目的在于赢得宗教、政治与学术界认可他在天文学上的发觉。他在罗马受到包括教皇保罗五世和假设干高级主教在内的上层人物的热情接待，并被林赛研究院接纳为院士。当时耶稣会的神父们承认他的观测事实，只是不同意他的讲明。这年5月，在罗马大学的大会上，几个高职位的神父公开宣布了伽利略的天文学成就。同年，他观看到太阳黑子及其运动，对比黑子的运动规律和圆运动的投影原理，论证了太阳黑子是在太阳表面上；他还发觉了太阳有自转。1613年他发表了3篇讨论太阳黑子咨询题的通信稿。另外，1612年他又出版了«水中浮体对话集»一书。1615年，一诡诈的教士集团和教会中许多与伽利略敌对的人联合攻击伽利略为哥白尼学讲辩护的论点，控告他违反基督教义。他闻讯后，因此年冬第三次去罗马，力图挽回自己的声誉，企求教廷不因自己保持哥白尼观点而受到惩戒，也不公布压制他宣传哥白尼学讲，教廷默认了前一要求，但拒绝了后者。教皇保罗五世在1616年下达了闻名的〝1616年禁令〞，禁止他以口头的或文字的形式保持、传授或捍卫日心讲。1624年，他第四次去罗马，期望故友新任教皇乌尔邦八世能够同情并明白得他的意愿，以爱护新兴科学的生气。他先后谒见6次，力图讲明日心讲能够与基督教教义相和谐，讲〝圣经是教人如何进天国，而不是教人明白天体是如何运转的〞；同时试图以此讲服一些大主教，但毫无成效。乌尔邦八世坚持〝1616年禁令〞不变；只承诺他写一部同时介绍日心讲和地心讲的书，但对两种学讲的态度不得有所偏倚，而且都要写成数学假设性的。在这辛勤奔波的一年里，他研制成了一台显微镜，〝可将苍蝇放大成母鸡一样〞。此后6年间，他撰写了«关于托勒密和哥白尼两大世界体系对话»一书.1630年他第5次到罗马，取得了此书的〝出版许可证〞。此书终于在1632年出版了。此书在表面上保持中立，但实际上却为哥白尼体系辩护，并多处对教皇和主教隐含嘲讽，远远超出了仅以数学假设进行讨论的范畴。全书笔调诙谐，在意大利文学史上列为文学名著。4．教廷的迫害和晚年生活«对话»出版后6个月，罗马教廷便勒令停止出售，认为作者公然违抗〝1616年禁令〞，咨询题严峻，亟待审查。原先有人在教皇乌尔邦八世面前挑拨讲伽利略在«对话»中，借头脑简单、思想守旧的辛普利邱之口以教皇惯用辞句，发表了一些可笑的错误言论，使他大为震怒。曾支持他当上教皇的集团猛烈地主张要严惩伽利略，而神圣罗马帝国和西班牙王国认为如纵容伽利略会对各国国内的异端思想产生重大阻碍，提出联合警告。在这些内外压力和挑拨下，教皇便不顾旧交，于这年秋发出要伽利略到罗马宗教裁判所受审的指令。年近七旬而又体弱多病的伽利略被迫在寒冬季节抱病前往罗马，在严刑威逼下被审讯了三次，全然不容审辩。几经折磨，终于在1633年6月22日在圣玛丽亚修女院的大厅上由10名枢机主教联席宣判，要紧罪名是违抗〝1616年禁令〞和圣经教义。伽利略被迫跪在冰冷的石板地上，在教廷已写好的〝悔过书〞上签字。主审官宣布：判处伽利略终身监禁；«对话»必须焚绝，同时禁止出版或重印他的其他著作。此判决书赶忙通报整个天主教世界，凡是设有大学的都市均须聚众宣读，借此以一儆百。伽利略既是勤奋的科学家，又是真诚的天主教徒，深信科学家的任务是探究自然规律，而教会的职能是治理人们的灵魂，不应互相侵犯。因此他受审之前不想逃脱，受审之时也不公布抵抗，而是始终服从教廷的处置。他认为教廷在神学范畴之外行使权力极不明智，但只能私下有所不满。明显，G.布鲁诺的被处火刑和T.康帕内拉的被长期打入死牢，这两位意大利杰出的哲学家的遭遇，给他精神上投下了可怕的阴影。宗教裁判所的判决随后又改为在家软禁，指定由他的学生和故友A.皮柯罗米尼大主教在锡耶纳的私宅中看管他，规定禁止会客，每天书写材料均需上缴等。在皮柯罗米尼的精心护理和鼓舞下，伽利略重行振作起来，同意皮柯罗米尼的建议连续研究无争议的物理学咨询题。因此他仍用«对话»中的三个对话人物，以对话体裁，和较朴素的文笔，将他最成熟的科学思想和研究成果撰写成«关于两门新科学的对话与数学证明对话集»。两门新科学是指材料力学〔见弹性力学〕和动力学。这部书稿1636年就已完成，由于教会禁止出版他的任何著作，他只好托一位威尼斯友人隐秘携出国境，1638年在荷兰莱顿出版。伽利略在皮柯罗米尼家中刚过了5个月，便有人写匿名信向教廷控告皮柯罗米尼厚待伽利略。教廷乃勒令伽利略于当年12月迁往佛罗伦萨邻近的阿切特里他自己的故居，由他的大女儿维姬尼亚照管，禁例仍旧。她对父亲照管稳妥，但4个月后竟先于父亲病故。伽利略多次要求外出治病，均未获准。1637年双目失明。次年才获准住在其子家中。在这期间探望他的除托斯卡纳大公外，还有英国闻名诗人、政论家J.弥尔顿和法国科学家、哲学家P.伽桑迪。他的学生和老友B.卡斯泰里还和他讨论过利用木卫星运算地面经度的咨询题。这时教廷对他的限制和监视已明显放松了。1639年夏，伽利略获准同意聪慧好学的18岁青年V.维维亚尼为他的最后一名学生，并可在他周围照管，这位青年使他专门中意。1641年10月卡斯泰里又介绍自己的学生和过去的秘书E.托里拆利前往陪伴。他们和这位双目失明的老科学家共同讨论如何应用摆的等时性设计机械钟，还讨论过碰撞理论、月球的天平动、大气压下矿井水柱高度等咨询题，因此，直到临终前他仍在从事科学研究。伽利略于1642年1月8日病逝，葬仪草率简单，直到下一世纪，遗骨才迁到家乡的大教堂。科学的不断进展，迫使罗马教廷不得不在1757年宣布解除对哥白尼«天体运行论»的禁令；1882年罗马教皇又无可奈何地承认了日心学讲。1979年11月10日，梵蒂冈教皇J.保罗二世代表罗马教廷为伽利略公布平反昭雪，认为教廷在300多年前迫害他是严峻的错误。这讲明朝廷最终承认了伽利略的主张——宗教不应该干预科学。二、科学成就1．新的科学思想和科学研究方法在伽利略的研究成果得到公认之前，物理学以至整个自然科学只只是是哲学的一个分支，没有取得自己的独立地位。当时，哲学家们束缚在神学和亚里士多德教条的框框里，他们苦思巧辩，得不出符合实际的客观规律。伽利略敢于向传统的权威思想挑战，不是先臆测事物发生的缘故，而是先观看自然现象，由此发觉自然规律。他摒弃神学的宇宙观，认为世界是一个有秩序的服从简单规律的整体，要了解大自然，就必须进行系统的实验定量观测，找出它的精确的数量关系。基于如此的新的科学思想，伽利略倡导了数学与实验相结合的研究方法；这种研究方法是他在科学上取得伟大成就的源泉，也是他对近代科学的最重要奉献。用数学方法研究物理咨询题，原非伽利略首倡，能够追溯到公元前3世纪的阿基米德，14世纪的牛津学派和巴黎学派以及15、16世纪的意大利学术界，在这方面都有一定成就，但他们并未将实验方法放在首位，因而在思想上未能有所突破。伽利略重视实验的思想可见于1615年他写给克利斯廷娜公爵夫人的一封信上的话：〝我要要求这些聪慧细心的神父们认真考虑一下臆测性的原理和由实验证实了的原理二者之间的区不。要明白，做实验工作的教授们的主张并不是只凭主观愿望来决定的。〞伽利略的数学与实验相结合的研究方法，一样来讲，分三个步骤：①先提取出从现象中获得的直观认识的要紧部分，用最简单的数学形式表示出来，以建立量的概念；②再由此式用数学方法导出另一易于实验证实的数量关系；③然后通过实验来证实这种数量关系。他对落体匀加速运动规律的研究便是最好的讲明。2．物理学概念和原理的创新惯性原理和力与加速度的新概念推动重物时需要的力大，而推动轻物时需要的力小，是人们的直觉体会。亚里士多德据以得出普遍性的结论：一切物体均有保持静止或所谓查找其〝天然去处〞的本性，认为〝任何运动着的事物都必定有推动者〞，并用比例定律把动力与速度联系起来。伽利略那么得出新的概念，他观看到一个沿着光滑斜面向上滑动的物体，因斜面的斜角不同而受到不同程度的减速，斜角越小，减速越小。如在无阻力的水平面上滑动，那么应保持原速度永久滑动。因而得出如此的结论：〝一个运动的物体，假如有了某种速度以后，只要没有增加或减小速度的外部缘故，便会始终保持这种速度——那个条件只有在水平的平面上才有可能，因为在斜面的情形下，朝下的斜面提供了加速的起因，而朝上的斜面提供了减速的起因；由此可知，只有在水平面上运动才是不变的〞〔«两门新科学的对话»，第三天，咨询题9，假设23注〕。如此，伽利略便第一次提出了惯性概念，并第一次把外力和〝引起加速或减速的外部缘故〞即运动的改变联系起来。与前述的匀加速运动实验结合在一起，伽利略提出了惯性和加速度那个全新的概念，以及在重力作用下物体作匀加速运动的全新的运动规律，为牛顿力学理论体系的建立奠定了基础。具体有以下几个方面。(1)运动独立性原理和运动的合成、分解定律在弹道的研究中，伽利略发觉水平与垂直两方向的运动各具有独立性，互不干涉，但通过平行四边形法那么又可合成实际的运动径迹。他从垂直于地面的匀加速运动和水平方向的匀速运动，完整地讲明了弹道的抛物线性质，这是运动的合成研究的重大收成，并具有有用意义。(2)惯性参照系概念，伽利略用物理学原理为哥白尼地动学讲进行辩解时，应用运动独立性原理通俗地讲明了石子从桅杆顶上掉落到桅杆脚下而不向船尾偏移的道理。他又进一步以作匀速直线运动的船舱中物体运动规律不变的闻名论述，第一次提出惯性参照系的概念。这一原理被A.爱因斯坦称为伽利略相对性原理，是狭义相对论的先导。(3)单摆周期性质的发觉，伽利略由观看到教堂悬灯的摆动对摆进行实验研究，发觉单摆的周期与摆长的平方根成正比，而与振幅大小和摆锤重量无关。那个规律的发觉为此后的振动理论和机械计时器件的设计方案建立了基础。(4)光速有限及其测量，前人关于光速是否有限从来没有明确的认识。伽利略观看了闪电现象，认为光速是有限的，并设计了测量光速的掩灯方案。但限于当时的实验条件，用这种测量方法实际测到的要紧只是实验者的反应和人手的动作时刻，而不是光的行进时刻。然而，假如有了明暗变化有规律的光源或高速机械操纵的器件代替人手动作，是能够测量到真正的光速的，后来木卫星食法、转动齿轮法、转镜法、克尔盒法、变频闪光法等光速测量方法都借鉴于掩灯方案。3．几种差不多物理实验仪器的研制伽利略不但亲自设计和演示过许多实验，而且亲自研制出许多实验仪器。他的工艺知识丰富，制作技术精深，他所创制的许多实验仪器在当时及对后世都专门有阻碍，下面举出几项：(1)浮力天平，这是利用浮力原理快速测定金银器皿首饰中金银含量比例的直读仪器。这种仪器当时已用于金银首饰器皿的交易中。(2)温度计，伽利略首创的温度计是一种开放式的液体温度计，玻璃管内盛有着色的水和酒精，液面与大气相通。这实际上是温度计与大气压力计的混合体，这是由于当时他对大气压力的变化还没有明确的认识。尽管如此，其学术价值仍专门大，温度从此成为客观的物理量，不再是不确定的主观感受。(3)望远镜，伽利略制成的望远镜，能够观看到物体的正像。通过改进后，其倍率由3逐步增大到33；不但指向星空，还可应用于船舰要塞，取得空前丰硕的发觉成果。这种望远镜结构简单，而其倍率和辨论本领受球差和色差的限制较大。4．完全推翻亚里士多德的物质观欧洲中世纪占绝对统治地位的自然观，是通过神学改装了的亚里士多德的自然观，它成为封建神权统治者统制民众思想的工具。亚里士多德认为，地球和地上万物都由气、火、水、土四种元素所组成，差不多上丑陋、不洁、不完美的，有变化和有生灭的。火和气组成向上流淌的轻物，水和土组成向下掉落的重物。而天体那么是由〝以太〞所组成的纯洁、完美、永恒的物体。又因为〝上帝厌恶真空〞，因此真空不可能存在。然而伽利略从望远镜发觉月亮表面有山峰和洼地，高低不平，并不是完美无缺，金星也有盈亏变化；太阳表面还有活动不已的黑子；肉眼就能直截了当看到超新星的爆发及其慢慢暗淡和消逝。这些都打破了亚里士多德天尊地卑，天体和地上物质的性质悬殊的思想。伽利略通过流体静力学对浮体的研究，得知所有物体差不多上重物，没有绝对的轻物。天体和地球以及地上万物在物质结构上是统一的。真空也可能存在和产生，而且只有在真空中才能研究物体的真正性质。这就完全推翻了亚里士多德凭借主观臆测的物质观，从而也全然坚决了封建神权的思想统治。5．科学革命的先驱，近代科学之父伽利略是伟大的意大利物理学家和天文学家，科学革命的先驱。在人类思想解放和文明进展的过程中作出了划时代的奉献。在当时的社会条件下，为争取不受权势和旧传统压制的学术自由，为近代科学的生长，他进行了坚持不懈的斗争，并向全世界发出了振聋发聩的声音。因此，他是科学革命的先驱，历史上他第一在科学实验的基础上融会贯穿了数学、物理学和天文学三门知识，扩大、加深并改变了人类对物质运动和宇宙的认识。为了证实和传播N，哥白尼的日心讲，伽利略献出了毕生精力。由此，他晚年受到教会迫害，并被终身监禁。他以系统的实验和观看推翻了以亚里士多德为代表的、纯属思辨的传统的自然观，开创了以实验事实为依照并具有严密逻辑体系的近代科学。因此，他被称为〝近代科学之父〞。他的工作，为I.牛顿的理论体系的建立奠定了基础。尽管他晚年终于被剥夺了人身自由，但他开创新科学的意志并未坚决。他的追求科学真理的精神和成果，永久为后代所景仰。三、趣闻轶事1．不爱医学爱数学1581年，伽利略17岁时，考入了比萨大学，比萨是伽利略出生的地点。他的父亲坚持要他学医，因为医学在16世纪的意大利被认为是大学生通往成功和最终致富这条路的最有效的第一步。伽利略专门不情愿地满足了父亲的愿望，然而没几个月更大的分歧开始发生了。伽利略是一个有着多方面才能的年轻人。他既是一个专门有天赋的音乐家、杰出的画家，又是一个有才华的作家。然而就在伽利略到比萨的第一年，由于他对医学没有爱好，同时发觉了自己的真正爱好，从而改变了他的人一辈子道路。伽利略在比萨大学的第一学期里，利用课余时刻听数学讲座，他开始被这门学科的严谨的美迷住了。专门是由宫廷数学家奥斯蒂洛·利奇讲授的关于欧几里得几何这门学科——这是以几何之父，希腊的欧几里得命名的数学的一个分支——深深地吸引了他。伽利略一星期接一星期地听利奇的讲座。不久以后，这位宫廷数学家开始注意到了一个身材健美、模样英俊的年轻人总是坐在演讲厅的后面，用心致志地听着他讲的每一句话。每次讲座终止，伽利略总会向利奇提出许多寻根究底的咨询题。这位数学家意识到在他的这门学科中有了一个专门有才智的学生，因此他就劝伽利略在这大学里舍弃学医改学数学。尽管他的父亲专门动气，但伽利略连续朝着自己的爱好走下去，改换了学科。他坚持讲，他已不是一个小小孩了，这一次他不再照他父亲的要求去做。第一学期终止之前，伽利略已是一名数学本科生了。2．〝辩论者〞的雅号还在比萨大学就读时，伽利略因为看不惯哲学家们对科学的态度，不管在与人争辩中，依旧私下讨论中，都直言不讳地表示出自己的这种观点。在专门多时候，他会变得十分兴奋，提高嗓门、大声地与他的同行和演讲者进行辩论。伽利略确实生性有点儿淘气，然而从全然上来讲他是一个明白礼貌、遵守纪律的学生。他专门受一些同学的喜爱，并因他的机智和热情而博得了专门好的名声。然而，在数学和物理的咨询题上，他一点不怕把自己的观点清晰地亮出来。事实是伽利略在大学里辩论得太多了，以致获得了〝辩论者〞的雅号。他争辩的焦点要紧在于：光靠像希腊人那样坐在那儿冥思苦想，是不能推动科学的进步的。亚里士多德在他的一生中没有进行过一次实验。他只是简单地靠运用逻辑的方法来得出结论。而伽利略辩驳讲，光靠那样是不够的。亚里士多德的整个哲学体系是相互连接的，一个原理引出另一个原理，一个观点支撑着另一个观点。假如他的哲学体系中有某个部分错了，那就等于宣布他的所有哲学内容都有咨询题了。伽利略处理咨询题的方式和亚里士多德正好相反。在比萨大学，他坚持认为，科学只能建立在实验的基础上。一个方法一开始是能够建立在灵感的基础上，但它只有靠实验来证明并被同意——这是一个在今天被认为理所因此的观点。伽利略在大学里的大部分同事都不赞成他的观点。伽利略了解教会的态度，他专门聪慧地把他的观点仅仅当作许多建议之一提出来争辩，不让人们更注意到他的那些反亚里士多德的思想。这至少是伽利略在公布场合中所采纳的方式……3．比萨斜塔的故事在伽利略漫长的一生中发生过许多被后世纪念和记载的有名事件。也许最流行的故事是据讲他于1591年在比萨斜塔顶上进行的一项实验。这座斜塔坐落在比萨城里。这不同平常的建筑物建筑于1174年，从它造好的初期开始倾斜直到现在已倾斜了17英尺左右了。到16世纪，这座比萨斜塔成了有历史意义的建筑物，引起了来自意大利各地观光者的注意。伽利略对那些坚决拒绝考虑他反亚里士多德观点的同事们的看法十分气愤，他决定用一种专门的证据来证明这位希腊哲学家的错误。亚里士多德在物理方面的一个要紧观点是，假如让两个重量不同的物体在地心引力的阻碍下落下，那么它们当中较重的一个就会落到地面。然而，像他所