伽利略的落体研究和斜面实验

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1、伽利略的落体研究和斜面实验作者：郭奕玲沈慧君    文章来源：作者惠赐    点击数：4939    更新时间：2008-1-25清华大学物理系郭奕玲沈慧君一、历史背景力学是物理学中发展最早的一个分支，它和人类的生活与生产联系最为密切。早在遥远的古代，人们就在生产劳动中应用了杠杆、螺旋、滑轮、斜面等简单机械，从而促进了静力学的发展。古希腊时代，就已形成比重和重心的概念，出现杠杆原理；阿基米德（Archimedes），约公元前287—212）的浮力原理提出于公元前二百多年。我国古代的春秋战国时期，以《墨经》为代表作的墨家，总结了大量力学知识，例如：时间与空间的联系、运动的相对性、力的概念、杠

2、杆平衡、斜面的应用以及滚动和惯性等现象的分析，涉及力学的许多部门。虽然这些知识尚属力学科学的萌芽，但在力学发展史中应有一定的地位。16世纪以后，由于航海、战争和工业生产的需要，力学的研究得到了真正的发展。钟表工业促进了匀速运动的理论；水磨机械促进了摩擦和齿轮传动的研究；火炮的运用推动了抛射体的研究。天体运行的规律提供了机械运动最纯粹、最精确的数据资料，使得人们有可能排除摩擦和空气阻力的干扰，得到规律性的认识。天文学的发展为力学找到了一个最理想的“实验室”——天体。但是，天文学的发展又和航海事业分不开，只有等到16、17世纪，这时资本主义生产方式开始兴起，海外贸易和对外扩张刺激了航海的发展，

3、这才提出对天文作系统观测的迫切要求。第谷·布拉赫（TychoBrahe，1546—1601）顺应了这一要求，以毕生精力采集了大量观测数据，为开普勒（JohannesKepler，1571—1630）的研究作了准备。开普勒于1609年和1619年先后提出了行星运动的三条规律，即开普勒三定律。与此同时，以伽利略（GalileoGalilei1564—1642）为代表的物理学家对力学开展了广泛研究，得到了落体定律。伽利略的两部著作：《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（1632年）和《关于力学和运动两种新科学的谈话》（简称《两门新科学》（1638年），为力学的发展奠定了思想基础。随后，牛顿（

4、IsaacNewton，1642—1727）把天体的运动规律和地面上的实验研究成果加以综合，进一步得到了力学的基本规律，建立了牛顿运动三定律和万有引力定律。牛顿建立的力学体系经过D．伯努利（DanielBernoulli，1700—1782）、拉格朗日（J．L．Lagrange，1736—1813）、达朗贝尔（JeanleRonddAlembert，1717—1783）等人的推广和完善，形成了系统的理论，取得了广泛的应用并发展出了流体力学、弹性力学和分析力学等分支。到了18世纪，经典力学已经相当成熟，成了自然科学中的主导和领先学科。机械运动是最直观、最简单、也最便于观察和最早得到研究的一

5、种运动形式。但是，任何自然界的现象都是错综复杂的，不可避免地会有干扰因素，不可能以完全纯粹的形态自然地展现在人们面前，力学现象也不例外。因此，人们要从生产和生活中遇到的各种力学现象抽象出客观规律，必定要有相当复杂的提炼、简化、复现、抽象等实验和理论研究的过程。和物理学的其它部门相比，力学的研究经历了更为漫长的过程。从希腊时代算起，这个过程几达两千年之久。其所以会如此漫长，一方面是由于人类缺乏经验，弯路在所难免，只有在研究中自觉或不自觉地摸索到了正确的研究方法，才有可能得出正确的科学结论。再就是生产水平低下，没有适当的仪器设备，无从进行系统的实验研究，难以认识和排除各种干扰。例如：摩擦和空气

6、阻力对力学实验来说恐怕是无处不在的干扰因素。如果不加分析，凭直觉进行观察，往往得到错误结论。亚里士多德（Aristotle，公元前384—322）认为物体运动速度与外力成正比、重物下落比轻物快和后来人们用“冲力”解释物体的持续运动以及用“自然界惧怕真空”解释抽水唧筒的种种似是而非的论点，看起来确与经验没有明显的矛盾，所以长期没有人怀疑。而伽利略和牛顿的功绩，就是把理论思维和实验研究正确地结合到了一起，从而为力学的发展开辟了一条正确的道路。二、伽利略落体研究揭开了近代科学的序幕 1638年，伽利略的《两门新科学》一书的出版。他在这本不朽的著作中整理并公布了三十年前他得到的一些重要发现。163

7、9年1月，这位年迈失明的作者口授了一封给友人的信，提到这本书时讲道：“我只不过假设了我要研究的那种运动的定义及其性质，然后加以证实。……我声明我想要探讨的是物体从静止开始，速度随时间均匀增加的这样一种运动的本质。……我证明这样一个物体经过的空间（距离）与时间的平方成正比。……我从假定入手对如此定义的运动进行论证；因此即使结果可能与重物下落的自然运动的情况不符，对我也无关紧要。但是我要说，我很幸运，因为重物运动及其性质，一