论伽利略的主要贡献

物理学史课程

题目：论伽利略的实验思想和方法

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论伽利略的实验思想和方法

摘要：

本文从物理学史的角度阐述了实验理想和逻辑性的实验方法以及他的科学研究思想对物理教学的启示。“近代物理学实验的开拓者”—伽利略，爱因斯坦说“大多数人终生无休止地追逐的那些希望和努力是毫无价值的，我不久发现了这种追逐的残酷，这在当年较之今是更加精心地用伪善和漂亮的字句掩饰着的。每个人只是因为有个胃，就注定要参与这种追逐。而且，由于参与这种追逐，他的胃是有可能得到满足的；但是，一个思想、有感情的人却不能由此而得到满足。”之所以这样的精神给我们人类开辟了新的历史任务。他用实验来证明他的思想及观点，他首先提出并证明了同物质同形状的两个重量不同的物体下降速度一样快，自己发明了望远镜观察天体的运动，证明了两个天体之间必定存在着某种相互作用力（相互接近的倾向）。而地面上重物自由坠落，也必须归之于同样的原因（在废除了“宇宙中心”之后）。

关键词：

实验物理学、落体定律、小球滚动实验、加速度实验、伽利略望远镜、

引言：

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。因此,伽利略的实验研究是相当出类拔萃的。他对物理实验的巧妙安排、精心设计非同一般;他边搞实验,边自制仪器,努力摆脱当时实验条件简陋的束缚,更是令人惊叹;他不仅反复强调了实验的地位和作用,而且对物理实验方法作了较为系统的研究,以致他被誉为“实验科学之父”。

正文：

伽利略1564年2月15日出生在意大利西海岸比萨城一个破落的贵族之家。伽利略家族姓伽利雷，他12岁进洛姆博罗莎经院学校读书，17岁进比萨大学学医。他从小具有极强的独立精神，遇事好寻根问底，并养成观察、思考和亲自实验操作的习惯，从不迷信权威和盲从他人。这些品质，为他以后取得卓越科学成果创造了条件。

他是世界知名科学家，他既是物理学家、天文学家又是发明家，他发明了温度计和天文望远镜。是近代实验物理学的开拓者，他用实验推翻了持续1900年之久的物理学史，进一步研究“物体下落速度和重力比例”，并实验来证明物体下落速度和重力比例，为物理学家牛顿的理论体系建立奠定了基础。

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。设计了著名的“冲淡重力”的斜面实验，物体下落过程中的运动情况与物体的质量无关。伽利略用铜球从斜槽的不同位置由静止下落，他先在木板上刻了光滑的槽，然后把木板的一头抬高。让小球从上向下自由滚动，并且记下每次运动时间和距离的关系。他不断地改变木板的长度和倾斜角、测量时间和距离，证实小球运动的速度和时间成正比，运动距离和时间成正比，这就是动的定律，即V=at，S=1/2at2，s为距离，a为加速度，t为时间。这为第一项发现。

第一个重大发现是，当木板倾斜角是直角时，小球就成为自由落体。他发现自由落体公式：V=gt，S=1/2at2，g是重力加速度，所以自由落体运动也是一种等加速度运动，这就证明了物体下落的快慢和物体轻重没有关系。据说他在比塞塔上用两个重量悬殊的铁球，做自由落体运动实验，结果两者同时落地。这样，就纠正了亚里斯多德的错误。

第二个主要发现是，小球从斜面滚到平面上，如果平面很光滑，小球差不多保持等速运动：如果另外接一个上升的斜面，小球差不多能够达到下落前的高

度。这个发现推翻了亚里斯多德曾认为外力停止，运动也停止的观点。

第三项重大发现是，小球从桌上滚到地下始终受惯性和重力的影响。这种运

动跟炮弹离开炮膛一样是一个抛物线。 伽利略手稿中记录的一组实验数据

（图1）

结果表示为：

伽利略发现，斜面的倾角不同，上述比例关系同样成立，只是这个常数的随着θ的增大而增大。当斜面倾角增大到90°，即斜面与地面垂直时，小球就开始做自由落体运动

伽利略根据实验结果出发，认为在初速度为0的匀加速直线运动中，经过的位移正比于时间的平方，即x/t 2=恒量，而恒量的数值随着斜面倾角增大而增大,当斜面倾角增大到90°，小球将自由下落，成为自由落体。此时 x/t 2=恒量的关系仍成立，此时比值为最大。除了这个实验之外还做了好

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多实验，其中特别有名的实验叫“伽利略的加速度实验”并且这个实验给我们后代人带来巨大的影响，当时伽利略继续提炼他有关物体移动的观点。他做了一个6米多长，3米多宽的光滑直木板槽。再把这个木板槽倾斜固定，让铜球从木槽顶端沿斜面滑下，并用水钟测量铜球每次下滑的时间，研究它们之间的关系。亚里士多德曾预言滚动球的速

度是均匀不变的：铜球滚动两倍的时间就走出两

倍的路程。伽利略却证明铜球滚动的路程和时间

的平方成比例：两倍的时间里，铜球滚动4倍的距离（示图2），因为存在恒定的重力加速度。（图2）

1609年6月他做了望远镜的实验，并成为了他的专利，他是利用望远镜观测天体取得大量成果的第一位科学家。这些成果包括：发现③月球表面凹凸不平，木星有四个卫星（现称伽利略卫星），太阳黑子和太阳的自转，金星、木星的盈亏现象以及银河由无数恒星组成等。他用实验证实了哥白尼的“地动说”，彻底否定了统治千余年的亚里士多德和托勒密的“天动说”。而且，提出了存在着空间，空间里面有一被选中的点作为宇宙的中心。物质---至少是它的比较密集的部分---倾向于尽可能地接近这一中心。因此，物质表现为近似于球形的（即地球）。日月星辰所以不落向宇宙中心，是因为它们都被固定在刚性的（透明的）地球壳上，而这些球壳的中心就是宇宙的（即空间）的中心。这些球球壳以略有不同的角速绕着不动的地球（宇宙中心）旋转。月亮的球壳半径最小；它包围着“地上的”万物。月亮外面的那些球壳同他们的天体一起代表“天球”，天球上的物体被看作是永恒的、不灭的和不变的，这同那个“下面的地球”正相反；地球是被月亮的球壳包围着，包含着一切暂时的、可毁灭的和“易变质的”东西。

他一生坚持与唯心论和教会的经院哲学作斗争,主张用具体的实验来认识自然规律,认为经验是理论知识的源泉。他不承认世界上有绝对真理和掌握真理的绝对权威，反对盲目迷信。他承认物质的客观性、多样性和宇宙的无限性，这些观点对发展唯物主义的哲学具有重要的意义。但由于历史的局限性，他强调只有可归纳为数量特征的物质属性才是客观存在的。伽利略因为支持日心说入狱后，“放弃”了日心说，他说，考虑到种种阻碍，

两点之间最短的不一定是直线，正是因为他有这样的思想，暂时的放弃换得永远的支持，没有像布鲁诺那样去壮烈，但却可以为科学继续贡献自己的力量。

结论：

伽利略费了很大的力做实验证明自己的理论“地球自转和公转的假说”，并且我们观察不到的这些运动的任何力学效应而不能成立，严格说由于没有完整的实验经验，这种论证是不可能的。当然伽利略也注意到用他那时候的测量仪器不可能检验出地球的周年运动对恒星所产生的时差，因为恒星的距离太远了，这种考察尽管是幼稚的，但却是天才。今天我们很难理解伽利略时代是多么危险和多么革命；当时只要怀疑那些除了权威以别无基础的见解是否真理就会被认为罪大恶极，要处以极刑。但是他在这样的处境选择了这样的道路，给我们后代留下永远不可磨灭的历史价值。“追求科学，需要有特殊的勇敢，思考是人类最大的快乐，一切推理都必须从观察与实验中得来。”

如果说我们是猿人的后代、他是上帝给我们的礼物，为了进化我们这些猿人、为了我们的发展，他一生的努力包括望远镜和理论物理学的理论基础、实验物理的实践基础，因此，他被称为“实验科学之父”。

参考文献：

①《爱因斯坦文集》第一卷 P1- P2、新华书店北京发行所发行，北京第二新华印刷厂印刷1976年一月第一版统一书号：2017.180 ②《爱因斯坦文集》第一卷伽利略《关于托勒玫和哥白尼的两大世界体系的对话》P579新华书店北京发行所发行，北京第二新华印刷厂印刷1976年一月第一版统一书号：2017.180 ③《爱因斯坦文集》第一卷伽利略《关于托勒玫和哥白尼的两大世界体系的对话》P580 - P582新华书店北京发行所发行，北京第二新华印刷厂印刷1976年一月第一版统一书号：2017.180 ④马尔科姆.朗盖尔《宇宙的世纪》P10- P23、湖南科学技术出版社2010年4月第1版第1次⑤伽利略《固体的中心》⑥伽利略《关于两门新科学的谈话和数学证明》