人教版高一物理必修1備課資料6《伽利略對自由落體運動的研究》

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111 備課資料 1.近代科學之父——伽利略 伽利略（1564——1642）是偉大的意大利物理學家和天文學家，科學革命的先驅(qū).歷史上他首先在科學實驗的基礎上融會貫通了數(shù)學、物理學和天文學三門知識，擴大、加深并改變了人類對物質(zhì)運動和宇宙的認識.伽利略對科學思想的發(fā)展有巨大的影響.物理學作為一門科學就是從他這里開始的.兩條力學原理的發(fā)現(xiàn)應當歸功于伽利略.兩條原理不僅對于力學，而且對整個物理學的發(fā)展都起了巨大的作用，這就是著名的關于勻變速直線運動的伽利略相對性原理和重力加速度恒定的原理.根據(jù)伽利略勻速直線運動相對性原理，牛頓得出了牛頓定律.而愛因斯坦把伽利略的力學的相對性原理推廣到一切物理過程，并由此得出關于空間和時間本性的結(jié)果，導致愛因斯坦提出廣義相對論. 伽利略還在其他方面有非常多的發(fā)明、研究.1609年，伽利略制造出自己的第一臺望遠鏡，可以說這是望遠鏡的第二次誕生.伽利略還發(fā)明了測溫器（最早的溫度計），研制出比重計. 在直線運動中，伽利略對自由落體運動有獨到的研究，生活在公元前4世紀的希臘哲學家亞里士多德最早闡述了物體下落的快慢由它們的重力大小決定的理論，物體越重，下落得越快.這種看法在其后兩千多年的時間里一直占統(tǒng)治地位.但是這種從表面上的觀察得出的結(jié)論實際上是錯誤的.偉大的物理學家伽利略用簡單明了的科學推理，巧妙地提示了亞里士多德的理論內(nèi)部包含的矛盾.他在1638年寫的《兩種新科學的對話》一書中指出：根據(jù)亞里士多德的論斷，一塊大石頭的下落速度要比一塊小石頭的下落速度大.假定大石頭的下落速度為8，小石頭的下落速度為4，當我們把兩塊石頭拴在一起時，下落快的會被下落慢的拖著而減慢，下落慢的會被下落快的拖著而加快，結(jié)果整個系統(tǒng)的下落速度應該小于8.但是兩塊石頭拴在一起，加起來比大石頭還要重，因此重物體比輕物體的下落速度要小.這樣，就從重物體比輕物體下落得快的假設，推出了重物體比輕物體下落得慢的結(jié)論.亞里士多德的理論陷入了自相矛盾的境地. 為了證實和傳播哥白尼的日心說，伽利略獻出了畢生精力.由此，他晚年受到教會迫害，并被終身監(jiān)禁.1979年，梵蒂岡教皇保羅二世代表羅馬教廷為伽利略公開平反昭雪，認為教廷在300多年前迫害他是嚴重的錯誤.這表明教廷最終承認了伽利略的主張——宗教不應該干預科學. 2.亞里士多德與伽利略給我們的啟示 物理教科書上，亞里士多德給同學們的印象不佳，他老是出錯，老是作出一些輕率的結(jié)論.同學們覺得亞氏實在太不高明而伽利略則比他偉大百倍.事實上，亞里士多德是古代一位偉大的學者，一位百科全書式的大學問家，他有著成就事業(yè)的理性方法，又有幾乎無所不及的理想成果，他在哲學、邏輯學方面的成就至今還被應用著，不過他在物理學中卻的確是錯誤百出并且謬種流傳，整整貽誤物理學二十個世紀.亞里士多德的悲哀不在于頭腦也不全在于時代，而在于研究方法不當.亞里士多德的物理研究方法有什么特點呢？或許可以用“觀察加直覺”來概括，亞里士多德觀察了眾多的自然現(xiàn)象：火焰向上竄，石頭往下落、馬車要馬拉著跑、尖利的聲音傳得遠……于是便依賴于直覺推理得出一系列直覺結(jié)論.固然，觀察與直覺對物理研究是至關重要的，翔實的觀察與良好的直覺往往導致偉大的發(fā)現(xiàn)，觀察使人腦累積事物的形象，形成一種潛知，直覺的想象、鑒別與啟發(fā)便是這種潛知的信息外傳.阿基米德巧解王冠之謎發(fā)現(xiàn)浮力規(guī)律、牛頓由落地蘋果而及月亮乃至天地萬物間的引力，就是亞里士多德本人也曾從觀察月食現(xiàn)象而正確判斷地球是圓球形的.然而，物理學更是一門以實驗為基礎的科學，所以根據(jù)直接觀察所得出的直覺的結(jié)論不是常常可靠的，他們有時會將人們引入歧途，將“觀察加直覺”作為物理研究的基本方法，正是亞里士多德物理學的失敗之所在. 伽利略是第一位創(chuàng)造通過實驗檢驗理論推導的科學研究方法的科學家.他崇尚“實驗加推理”，他拒絕聽信任何未經(jīng)實驗的科學思想，哪怕那是來自于教堂或權威.伽利略用盡畢生的精力探索落體運動的規(guī)律，他首先通過落體佯謬的思想實驗，否定亞里士多德的重物下落快的結(jié)論.通過觀察棉花、羽毛等在空氣中落下，伽利略曾經(jīng)提出過落體速度與密度成正比的法則.然而通過科學的推理，使伽利略認識了不易察覺的空氣阻力，從而發(fā)現(xiàn)了自己最初的法則的錯誤，并猜想到在沒有空氣阻力的情況下，一切物體都在同樣地增加著速度.為了建立真正的落體法則，伽利略仔細地實驗研究了擺的運動和小球在斜面上的運動，嚴格地定義了勻變速運動，設計出精密的時間測量方法，盡量地消除各種阻力的影響.運用數(shù)學工具……最終找到了物體下落速度與下落時間成正比的正確法則.伽利略的貢獻不只是建立了一個新法則，而且將物理學研究推向正確的軌道.從此開始了物理學的突飛猛進. 亞里士多德與伽利略的故事告訴我們，知識就是力量，而能力與方法比知識更有力量.我們每個人都同樣地擁有一個健全的大腦，我們每個人都應該可以像伽利略那樣去思索.重要的是學會認識世界的方法和具備進行科學研究的能力.如若我們能從亞里士多德和伽利略以及其他各位偉大學者的失敗與成功中尋求啟發(fā)和借鑒，我們也將會擁有一個杰出的閃爍出智慧之光的大腦，去容納經(jīng)典的與現(xiàn)代的物理知識，去面對已知的與未知的物理世界. 3.自由落體與比薩斜塔 古希臘哲學家亞里士多德認為，重的物體比輕的物體下落得要快.這符合人們的常識，如玻璃彈子就比羽毛落得快.伽利略認為：下落速度與重力無關，所有物體下落速度都相同.很多人反對這個觀點，為了讓人們相信，伽利略跑到比薩斜塔上扔下兩個不同重量的鐵球，結(jié)果兩個鐵球同時著地，于是伽利略勝利了. 這個故事很可能是沒有根據(jù)的.首先，當時沒有理想的計時工具，伽利略發(fā)現(xiàn)擺的等時性時是用自己的脈搏計時的，可見當時科學儀器的缺乏.如果做這個實驗，很難做到讓兩個球同時拋出，即使做到了同時拋出，落地時間也無法準確判斷；其次，空氣阻力會對球的下落產(chǎn)生影響，玻璃彈子比羽毛下落得快就是因為空氣阻力對羽毛下落的影響較大.兩個鐵球受空氣阻力影響，落地時間很可能不一樣，實驗結(jié)果對伽利略不利.所以，在伽利略本人留下的記錄中，沒有任何地方提到比薩斜塔實驗. 實際上，伽利略批評亞里士多德的理論是從邏輯推理開始的.他設想一個重物（如鐵球）與一個輕物（如木球）同時下落，按亞里士多德的理論，當然是鐵球落得快，木球落得慢.現(xiàn)在，試想把鐵球與木球綁在一起，同時拋出，會發(fā)生什么情況呢？一方面，鐵球和木球組成了一個比鐵球更重的物體，應當下落得比鐵球更快；另一方面，鐵球下落被木球拖住，其速度應該介于鐵球與木球之間.這樣，從同一個理論推出了互相矛盾的兩個結(jié)論，所以，亞里士多德的理論是值得懷疑的.正確結(jié)論應當是：下落速度與重力無關. 伽利略這位真正的近代實驗之父，近代實驗科學的創(chuàng)造者，并不滿足于邏輯推理，他要用實驗來驗證他的設想.但不是跑到比薩斜塔拋下兩個鐵球，而是在室內(nèi)用精心設計的斜面做實驗.他做了很多不同坡度的斜面，斜面盡可能光滑.然后在不同斜面上滾下各種重量的銅球，他發(fā)現(xiàn)，物體從斜面上滾下，做加速度運動.但只要斜面坡度不變，無論什么重量的銅球滾下，加速度都一樣，加速度與重力無關，但與坡度有關，斜面越陡，加速度越大，斜面越平，則加速度越小.在極限情況下，斜面完全水平，加速度為零，物體若不受外力，就應該永遠沿直線做勻速運動，這實際上就是牛頓第一定律；如果斜面完全垂直，就相當于自由落體，這時加速度最大，但對無論什么重量的物體，加速度都一樣. 伽利略做比薩斜塔實驗這一傳聞來自伽利略晚年的學生維維安尼，他在寫伽利略的傳記中提到伽利略曾做此實驗.但歷史學家考證，沒有任何理由表明伽利略做過這一實驗.事實上，一位亞里士多德派的物理學家為了反駁伽利略，真的于1612年在比薩斜塔做了一個實驗，結(jié)果表明，相同的材料重量不同的物體并不是在同一時刻到達地面，伽利略在《兩門新科學》中對此有一個辯護，意思是說，重量1∶10的兩個物體下落時只差一個很小的距離，可亞里士多德卻說相差10倍.為什么忽視亞里士多德如此重大的失誤卻盯住我小小的誤差不放呢？這也表明伽利略沒有做那個實驗. 111