牛顿第一定律物理学史

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1、伽利略的斜面实验在伽利略的落体运动定律的形成过程屮，斜面实验起过重要作用。他在《两门新科学》屮对这个实验描述得十分具体，写道“収长约12库比（1库比=45.7厘米）、宽约半库比，厚约三指的木板，在边缘上刻一条一指多宽的槽，槽非常平直，经过打磨，在直槽上贴羊皮纸,尽可能使之平滑，然示让一个非常圆的、硬的光滑黄铜球沿槽滚下，我们将木板的一头抬高一、二库比，使之略呈倾斜，再让铜球滚下，用下述方法记录滚下所需时I'可。我们不止一次重复这一实验，使两次观测的吋间相差不致超过脉搏的十分Z-o在完成这一步骤并确证其可靠性之后，就让铜球滚下全程的1/4,并测岀下降时间，我们发

2、现它刚好是滚下全程所需时间的一半。接着我们对具他距离进行实验，川滚卜-全程所用时间同滚卜-一半距离、三分之二距离、四分之三距离或任何部分距离所用时间进行比较。这样的实验重复了整整一百次,我们往往发现，经过的空间距离恒与所用时间的平方成正比例。这对于平面（也即铜球下滚的槽）的各种斜度都成立。我们也观测到，对于不同的斜度，下降的吋间互相问的关系正如作者预计并证明过的比例一样。“为了测量时间，我们把一只盛水的大容器置于高处，在容器底部焊上一根口径很细的管子，用小杯子收集每次下降时由细管流出的水，不管是全程还是全程的一部分，都可收集到。然后用极梢密的天平称水的重量；这

3、些水重之差和比俏就给出时间Z差和比值。精确度如此Z高，以至于重复许多遍，结果都没冇明显的差别。”这个实验设计是安排得何等巧妙啊!许多年来，人们都确信伽利略就是按他所述的方案做的。在历史博物馆中甚至还陈列着据说是伽利略当年用过的斜松和铜球。但是，当人们重复伽利略上述实验时，却发现很难得到如此高的精确度。更不能使斜槽的倾斜度任意提鬲。有人证明，贴了羊皮纸的木槽，实验谋差反而更人了。20世纪中叶，科学史专家库依雷（Koyre）提出一种见解，认为伽利略的斜面实验和他在书上描述的其它许多实验一样，都是虚构的，伽利略的运动定律源于逻辑推理和理想实验。这个意见对.19世纪传

4、统的看法无疑是一贴清醒剂。因为长期以來形成了一种认识，把实验的作用过于夸大了，好像什么基本定律，包括伽利略的运动定律都是从数据的积累中总结出来的。这种机械论的观点到了20世纪理所当然要受到怀疑论者批评。然而，伽利略究竟有没有亲H做过斜面实验呢？他为什么会想到用斜面來代替落体？他是怎样做的斜面实验？这个实验在他的研究中起了什么作用？伽利略没有对自己的工作作过更详细的阐述。但是，他留下了大量手稿和许多著作。人们把他的资料编成了20卷文集，这是研究伽利略的宝贵史料。从1591年伽利略的那本没有及时发表的小册子《论运动》屮可以看出，伽利略很早就对斜而感兴趣了。他在那里

5、主要研究斜而上物体的平衡问题，但也提过下列问题：①为什么物体在陡的平面上运动得更快？②不同的斜面上，运动Z比如何？他的回答是：“同样的重最用斜面提升比垂肓提升可以少用力，这要看垂肓提升与倾斜提升的比例。因此，同一重物垂直下落比沿斜血下降貝有更大的力，这要看斜血下降的长度与垂直下落的长度成什么样的比例。”既然力的人小与斜度成一定比例，落休运动的研究就可以用斜面来代替，按一定比例“冲淡”作用的力，“加长”运动的距离，这样可以比落体更有效地研究运动的规律。人们从伽利略的手稿中找到了一些证据，证明他早年确曾做过斜面实验。其中冇一页手稿画着一幅草图，两个小球正沿不同斜度

6、的斜面向下运动，说明伽利略曾思考过斜面实验。进一步研究，发现要能在2米长的斜血内収得8个和继时间内物体（也许是小球）通过的距离,角度必须限制在1.5°至2°Z间。从纸张的特点可以判定这页数据大约记于1604年。此时看来伽利略还没有确定时间平方关系，因为记录上的第一列数据1、4、9、16……64显然是后加上去的。第三列的数据有儿个地方涂改，似乎是伽利略在实验Z后对数据作了修正。这些判断有助于说明伽利略的吋间平方关系并不是直接从实验得到，而是从別的渠道先冇了设想，再用实验加以验证的。但是在定义匀加速运动时，他似乎走了一段弯路。起初,他也跟别人一样，假设卜•落过程屮

7、物体的速度与下落距离成正比，即v-So他乂是通过理想实验作出了正确的判断。他假设物体在落下第一段距离后已得到某一速度，于是在落下的距离加倍时，速度也应加倍。果真如此的话，则物体通过两段距离所用的时间将和通过第一段距离所用时间一样。也就是说，通过笫二段距离不必花时间，这显然是荒谬的。于是伽利略转而假设物体的速度与时间成止比，即v*t。这样的假设是否正确，当然也耍进行检验。然而速度是难以直接测量的。于是伽利略借助于几何学的推导，得岀s*t平方2的关系，这就是时间平方定律。对于不同的时间比1：2：3：4…,物体下落的距离比为1：4：9：16…。这些数字正是伽利略在那

8、张实验记录上添加的第一列数字。从第一列