伽利略科学研究方法

伽利略（1564—1642）是意大利物理学家、天文学家，近代实验科学的创始人。他的一生完全献给了科学事业，他所取得的巨大成就开创了近代物理的新纪元。正如爱因斯坦所说：“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，标志着物理学的开端。”他1632年发表了《关于两个世界体系的对话》一书，1638年又发表了《关于两门新科学的对话》一书。伽利略在长达几十年的科学研究工作期间开创了许多物理学研究方法，对今天的科学研究人员来说，在科技创新方面仍有重要的指导作用。本文试图从这些方面进行一些探究。1伽利略主要的力学研究工作自由落体问题的研究是伽利略力学研究的突破口。当时在力学问题上流行的是亚里士多德的理论。亚里士多德认为落体以匀速下落，其速度的大小与落体的重量成正比。伽利略首先指出了亚里士多德落体观念的逻辑矛盾。他假定一根不太长的绳子，两端分别系着一块石头，这两块石头的重量不同。那么，这两块石头将以什么速度下落呢？按照亚里士多德的观念，它们的重量是大小两块石头重量之和，所以它们下落的速度比任一块石头单独下落的速度都要快。另一方面，也从亚里士多德的观念出发，大石头下落得快，小石头下落得慢，则当两石头串联在一起时，会出现这样的情况：大石头快落在下，小石头慢落在上，在大石头带动下，小石头比单独下落时要快些，而大石头被小石头拖后，使之比单独下落时要慢些。即同是应用亚里士多德的观念，得出的是以上两种自相

矛盾的结果。所以亚里士多德关于落体的理论从逻辑推理上就不攻自破了。还是眼见为实，伽利略知道仅用逻辑推理是不够的，还必须用人们能够观察到的事实来驳斥亚里士多德的落体观念。相传1589年伽利略登上了意大利的比萨斜塔，让10磅重和1磅重的两个球同时下落。塔下的人都看到，这两个重量不同的球几乎是同时落地的。而根据亚里士多德的落体观念，当大球落到地面时，小球只下落到1／10的高度，这显然不符合眼见的事实。做这个实验之后，伽利略想到，有人会说物体下落速度虽然不是同重量成正比，但重物看起来总是比轻物似乎要落得快一些。由于比萨斜塔只有56米高，相对高度而言，球下落得太快了，肉眼不容易看出两者的差距。所以伽利略就想“冲淡引力”，让球落得慢一些。这样就可以比较容易地得到两个重量不同的球究竟是先后落地，还是同时落地的结论。伽利略是通过斜面实验来达到“冲淡引力”的设想的。他在长约8米的木板上，刻着一条光滑的槽，并放置成一斜面，斜面的夹角可以随意调控。他使重量不同的小球在同一高度沿斜面同时滚下。夹角越小，小球滚得就越慢。这就好比冲淡了引力。伽利略发现，重量不同的球在相同的斜面上滚动的速度是相同的，与斜面的夹角的大小无关。当斜面夹角为90度时，小球的滚动就成了自由下落。于是他得出结论：物体自由下落的速度同其重量无关。伽利略为了研究落体运动，不断人为地调整木板与水平面的夹角，观察小球在人为控制下运动，这本身就是一种典型的科学实验（这个实验曾在2002年被英国著名的《物理学世界》杂志的广大读者评为历史上“最美丽”的十大物理实验之一）。伽利略在

斜塔上不能“冲淡引力”，他在家里通过斜面实验就可以做到这一点，弥补了斜塔观察活动的不足。

伽利略在斜面实验的基础上，利用数学的方法，确定了路程与时间的数量关系为：s正比于t2,这就是时间平方定律。在他的实验记录上，有这样两列数字，不同的下落时间t=1，2，3，4……;物体下落的距离之比s=1：4：9：16……。从这两列数的比例关系，伽利略证明沿斜面下滑的物体正在做匀加速运动，从而也证明了自由落体运动是匀加速直线运动。斜面实验还使伽利略发现了惯性定理。他做了两个斜面，上面都刻有一条光滑的槽，让小球从第一个斜面滚下，再爬上第二个斜面。他发现，当小球在第二个斜面上爬到一定高度时，它就不再上爬，再度落下。这个高度刚好等于小球在第一个斜面上向下滚动的高度。这不仅同小球的重量无关，也同两斜面的倾角的大小无关。如果继续减少第二个斜面的倾角，使之最终成为水平面时，可以想象小球将沿着水平面以恒定的速度永不停息地运动下去。伽利略在他的《关于两门新科学的对话》一书中是这样描述的：“因为在向下倾斜的平面上已经存在一加速因素。而在向上倾斜的平面上则有一减速因素。由此可见，在水平面上的运动是永久的；因为，如果速度是匀速的，它就不能减小或缓慢下来，更不会停止。”这就是说，物体的运动并不需要外力来维持，只有运动的变化才是外力作用的结果。物体不受外力作用时，将永远匀速地运动下去。这个实验否定了亚里士多德关于“运动要靠力来维持”的言论。

2伽利略的力学研究工作所蕴含的科学方法

2.1物理观察方法

物理观察方法是指人们通过感觉器官或借助于科学仪器，有目的、有计划地感知客观对象，从而获得其中的物理因素、形象、变化及其相互关系的一种研究方法。物理观察的第一个显著特点是在自然发生的状态下，对研究对象进行观察；第二个显著特点是经验观察，就是在人为设的实验条件下，对自然事物或现象进行观察。观察的任务是观察自然事物或现象，记录事实，发现矛盾，为进一步的分析研究提供第一手资料。观察的目的：揭示研究对象的性质和规律性，指导社会实践。从以上所描述伽利略的研究工作过程中，他从1605年开始就把观察作为科学研究的坚实基础。在他看来，观测和测量完全可以作为划定科学事实范围的最高准则。他从来不会忽视在观测中所发生的任何细小变化。他对力学和天文学的贡献，可以说几乎全部来源于实验和观察的结果。

伽利略使用观察方法在科学研究中的重大作用，也被后来许多学科的科学家所公认。如前苏联著名的生理学家巴甫洛夫对他的学生说他成功的秘诀就是：“观察、观察、再观察”，“应该先学会观察，观察，不会观察，你就永远当不了科学家”。英国的细菌学家弗莱明在

他发明青霉素于1945年获得诺贝尔医学奖时，深有感触地说“我的唯一功劳是没有忽视观察”。

2.2数学方法

数学方法是指在科学研究中，应用数学提供的概念、符号和规则进行定量的描述、推导和演算，然后对数学结果进行分析和判断，从量和结构方面运用数学形式表示事物的特征和规律。马克思说：“一种科学只有成功地运用数学时，才算达到真正完善的地步”。爱因斯坦也曾说过：“在我们全部知识中，那个能够用数学语言来表达的部分，就划为物理学领域”。数学方法为物理学研究提供了精确的形式化语言和表达工具。数学方法较少地受物质和技术条件的限制，依靠其抽象推理可以从理性上认识客观世界，也便于物理理论的推广。

伽利略把他的物理研究与数学紧密结合起来，为物理学的发展开辟了新的途径。他以准确的数学语言证明物质运动的规律和表达物理的定律。他认为数学是人类思维的一种完全可靠的逻辑形式，“大自然这本书是用数学的语言写成的”。不懂数学语言，就不能揭开自然界的奥秘。在他那里，数学的简单性与和谐性被当作物体运动应该符合的先验原则。他是第一个用坐标表示物理量来研究物体运动规律的人。伽利略不仅设计巧妙的斜面实验，而且他运用了数学方法发现球和斜面的坡度，虽然都可不同，但小球沿斜面滚下的距离总是与时间

的平方成正比。当倾角等于90度时，就过渡到了自由落实运动。的以数学和实验相结合的方法得出了正确的结论，并以数学的语言表达了路程与时间的关系：s=gt2/2。这就是物理学中的落体定律。

2.3实验方法

物理实验方法是指人们根据研究的目的，利用物理仪器设备，人为地控制或模拟物理现象，排除各种偶然、次要因素的干扰，突出主要因素，在有利的条件下能重复地去研究物理现象及其规律。实验方法是探索物理现象及其规律的基本方法，是获取第一手科研资料重要的和有力的手段。实验方法是探索自然奥秘创立新理论的必由之路。实验方法也是检验真理的标准和推动自然科学技术发展重要的途径。从上述伽利略开展的研究工作中，我们不难发现，他采用的是以他开创的实验方法为核心的一系列近代科学研究的方法，以自由落体问题为突破口，开创了近代力学的先河。为了验证结论的正确性，他通过上百次的斜面实验。在实验中，他丢开一些次要因素，抓住问题的根本，如他知道小球在从斜面滚下的过程中，摩擦力是不可避免的，但可力求使之减到最低的限度。这样一来，摩擦力可小到忽略不计，就可使计量问题大为简化。他采用磨得很光的平面，再铺以羊皮纸，羊皮纸也尽可能平滑光亮，所用的黄铜球也打磨得很光滑，由此保证了摩擦力小到可忽略不计的条件。他所使用的方法就是简化和纯化研究对象，让研究对象在纯粹的状态下展现出它的特征，从而获得对认识

对象的正确认识。针对当时还没有精确的测时装置的情况下，伽利略在实验中还独创性地使用了滴水称量法，将实验过程中流出的水滴在精确的天平上称量，以水重之比推出时间之比。伽利略在实验过程中把科学的推理和实验的事实紧密地结合起来，把数学与实验的结果紧密地结合起来。

伽利略在推导“惯性定律”的过程中，还第一次采用了理想实验的方法。他首先假定小球从一个无摩擦的斜面上滚下来，然后在一个无限延伸的光滑平面上运动。很显然，没有摩擦的斜面和无限延的平面是不存在的。这些实验虽然只是想象中的实验，但它是建立在可靠的事实基础上的，这种抽象的方法既弥补了实验条件的限制，所得的结论又能令人信服。

从以上可以看出，伽利略在研究力学的过程中把实验和数学结合在一起，既注重逻辑推理，又依靠实际观察和实验检验，这就构成了一套完整的科学研究方法程序如下：观察现象→提出假设→逻辑推理→实验检验→数学演绎→形成理论伽利略所运用的这套科学研究方法，直到今天对我们的科学工作者，在科技创新方面仍有着重要的指导作用。