從伽利略對(duì)力學(xué)的貢獻(xiàn)看其研究方法

1、 3/3從伽利略對(duì)力學(xué)的貢獻(xiàn)看其研究方法 從伽利略對(duì)力學(xué)的貢獻(xiàn)看其研究方法 2.數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn) 得到了事實(shí)的驗(yàn)證，伽利略還通過實(shí)在的實(shí)驗(yàn)研究了自由落體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。他先假定輕、重物“幾乎”同時(shí)落地這一觀察到的事實(shí)，原因是空氣阻力有差別。若把阻力認(rèn)為是可以忽略的次要因素，就找到了研究自然規(guī)律最簡(jiǎn)單易行的理想化方法，從而推證出一系列運(yùn)動(dòng)學(xué)公式。此外，他還通過設(shè)計(jì)了著名的“斜面實(shí)驗(yàn)”來論證“沖淡引力”設(shè)想。他取了一長(zhǎng)為7米多的木板，上刻直槽，沿槽貼上羊皮紙以減少摩擦。板的一端比另一端約高60厘米，使板的傾角不足5。他的測(cè)時(shí)裝置是一種相當(dāng)于我國(guó)古代的“水鐘”，一個(gè)充滿了水并放在高處的容器，下開小孔，插一細(xì)管，

2、把細(xì)管滴出的水收集在一玻璃瓶中，然后用天平稱出水的重量，即可知時(shí)間的長(zhǎng)短。伽利略讓一堅(jiān)硬光滑的小球沿槽滾下，并測(cè)量小球言斜面滾下的距離和它相應(yīng)的時(shí)間。他發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)的各個(gè)相等的時(shí)間間隔內(nèi)，球滾下槽長(zhǎng)的距離與1,3,5,7，等奇數(shù)成正比。故在各連續(xù)時(shí)間內(nèi)球滾下之總距離與12，22，32，42，等成正比。伽利略用不同重量地球，在不同傾斜度下做實(shí)驗(yàn)，并且重復(fù)了幾百次，都得到同樣的結(jié)論，即小球所通過的路程與它所經(jīng)歷的時(shí)間的平方成正比。當(dāng)傾角較大時(shí)，時(shí)間就很難測(cè)定了。于是他采用外推法，以至推測(cè)到傾角為90的情況，都得到同樣的結(jié)論，從而得出了自由落體的公式。 3.研究方法 伽利略開創(chuàng)了一套新的科學(xué)方法實(shí)驗(yàn)

3、方法和數(shù)學(xué)方法結(jié)合，即將觀察、實(shí)驗(yàn)、理想化條件、物理思想和數(shù)學(xué)工具結(jié)合起來。研究方法可總結(jié)為: 觀察現(xiàn)象提出問題合理假設(shè)數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證. 其中數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是新研究方法的主要部分, 而實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證則是核心. 這是從觀察到實(shí)驗(yàn)的歷史性轉(zhuǎn)變, 從此使物理學(xué)的發(fā)展建立在可靠的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上, 使物理學(xué)的研究從定性階段過渡到定量階段. 特別是伽利略還把實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)同數(shù)學(xué)的演繹結(jié)合起來, 而不是單純依靠經(jīng)驗(yàn), 他所發(fā)現(xiàn)的許多定理, 都是通過了實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)的雙重證明。 二伽利略得出慣性定律 慣性原理的發(fā)現(xiàn)，是伽利略在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮他的高度抽象概括能力和豐富的想象力，運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)理論思維緊密結(jié)合的科

4、學(xué)研究方法所取得的又一成果。 1.歷史背景 亞里士多德曾得出：當(dāng)推出一個(gè)物體的力不再推動(dòng)物體時(shí)，物體便歸于靜止。近兩千年來，不斷有一些具有先進(jìn)思想的人提出不同的觀點(diǎn)，他們或從哲學(xué)思想上，或通過實(shí)際觀測(cè)和思維推理得到了對(duì)慣性的一些正確的認(rèn)識(shí)，但都遭到了神權(quán)思想和教會(huì)的迫害。伽利略在 晚年被監(jiān)禁的情況下，正確的解決了物體運(yùn)動(dòng)的慣性問題。 2.理想實(shí)驗(yàn) 伽利略用單擺的等高性實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)假設(shè)，如下圖所示，（a）圖中，把一個(gè)系在繩子下端的擺球拉開一定角度后由靜止釋放，它將沿著一條圓弧擺動(dòng)，并且升高到接近于開始時(shí)的高度；（b）圖中，用一個(gè)釘子改變運(yùn)動(dòng)路線，則擺球仍將幾乎升高到同樣高度。 根據(jù)斜面實(shí)驗(yàn)的結(jié)果提出

5、的“等末速度假設(shè)”和單擺的等高性實(shí)驗(yàn)，把伽利略引向了另一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)對(duì)接斜面實(shí)驗(yàn)。如下圖所示，一個(gè)光滑小球從高度均為h，傾斜角度不同的光滑斜面下落，它將會(huì)沿任何一個(gè)對(duì)接斜面上升到同樣高度處。圖（a）中小球上升時(shí)加速度較圖（b）中大，因此，隨著斜面傾角的減小，小球上升的加速度就會(huì)越來越小，小球運(yùn)動(dòng)的時(shí)間也就越來越長(zhǎng)，在圖（c）的水平面上，加速度小至為零，小球的速度將不會(huì)改變，則它將以恒定的速度永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去。于是伽利略得出結(jié)論：任何物體不能自己改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這也就是伽利略關(guān)于慣性運(yùn)動(dòng)的思想。 3.研究方法 由此可見，伽利略正是在對(duì)大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)分析的基礎(chǔ)上，透過表面現(xiàn)象，抓住主要因素，抽象出了理想化

6、的實(shí)驗(yàn)過程，再把理想實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)推理緊密地結(jié)合起來，從而揭示出了力和運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)聯(lián)系。 以伽利略為代表的慣性觀念的改變，是科學(xué)史上重大的科學(xué)飛躍之一。慣性現(xiàn)象已不再是哲學(xué)家頭腦中的猜想，而是既有嚴(yán)格的邏輯推理，又有理想的科學(xué)實(shí)驗(yàn)作為依據(jù)，是古代 于中世紀(jì)自然哲學(xué)過渡到經(jīng)典物理學(xué)最重要的標(biāo)志。 三伽利略對(duì)拋體運(yùn)動(dòng)的研究 有了慣性運(yùn)動(dòng)思想和自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，伽利略擴(kuò)大了他的研究范圍，開始討論拋體運(yùn)動(dòng)。伽利略把拋體運(yùn)動(dòng)分解為兩種運(yùn)動(dòng)：一種是豎直方向的上拋和自由落體運(yùn)動(dòng)，另一種是水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)（均不考慮空氣阻力）。伽利略把運(yùn)動(dòng)同物體的本質(zhì)屬性分離開來, 通過對(duì)拋體速度的討論, 不僅改變了自亞氏以

7、來人們思想中固有的錯(cuò)誤觀念, 而且揭示出自然界運(yùn)動(dòng)所遵循的簡(jiǎn)單性法則運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性和疊加性。由于運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性, 所以運(yùn)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)不會(huì)相互影響。這樣一來, 一個(gè)物體可以同時(shí)具有幾個(gè)運(yùn)動(dòng), 合運(yùn)動(dòng)的結(jié)果遵從純粹的幾何學(xué)法則，相反, 每一種運(yùn)動(dòng)也可以遵從相同的規(guī)則分解為若干個(gè)分運(yùn)動(dòng)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)疊加原理，拋體運(yùn)動(dòng)是這兩種運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)。把這兩種運(yùn)動(dòng)相加就能夠確定物體的運(yùn)動(dòng)軌跡和在運(yùn)動(dòng)軌跡上各點(diǎn)的速度等。 伽利略利用公式算出各拋射角時(shí)的軌跡曲線，并證明了這些拋物線與實(shí)驗(yàn)相符合。他還證明拋射角=45時(shí)射程最大，而=45時(shí)，即拋射角互為余角時(shí)的射程相同。他用運(yùn)動(dòng)疊加原理圓滿地解決了這一彈道學(xué)的基本問題，并且作出了一整套表格供工程使用。 伽利略通過上面的工作, 不僅建立了一門新的涉及古老課題的科學(xué)，正確解決了拋體問題, 而且還為人們提供了新的理論、新的思想。他所運(yùn)用的方法和手段正向他所預(yù)言的那樣, 不僅對(duì)那個(gè)時(shí)代的科學(xué)家和科學(xué)思想產(chǎn)生了巨大的影響, 也為之后的牛頓力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。 總之，伽利略的慣性定律和運(yùn)動(dòng)疊加原理等為力學(xué)理論奠定了基石，他具體研究的自由落體運(yùn)動(dòng)、斜面、拋體和單擺運(yùn)動(dòng)奠定了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)，并提供了解決實(shí)際