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历史10大物理实验(人类历史上最美丽的十大物理实验之一)

历史10大物理实验(人类历史上最美丽的十大物理实验之一)伽利略(Galileo)于1564年2月15日出生于意大利比萨(佛罗伦萨公国的一部分),他对权威的怀疑,精心测量或量化的实验,对时间或音乐时间的欣赏或节奏,以及数学和实验相结合都是留给我们后辈宝贵的财富。七,彩蛋时间:万有引力定律是如何研究自由落体运动的四,伽利略天才假设五,伽利略的实验是如何接近真理的?六,自由落地定律研究的伟大贡献

伽利略的自由落体定律研究

文章内容:

一,伽利略是干什么的?

二,为什么要研究自由落体运动的问题?

三,伽利略推翻亚里士多德观点思想实验

四,伽利略天才假设

五,伽利略的实验是如何接近真理的?

六,自由落地定律研究的伟大贡献

七,彩蛋时间:万有引力定律是如何研究自由落体运动的


一,伽利略是干什么的?

伽利略(Galileo)于1564年2月15日出生于意大利比萨(佛罗伦萨公国的一部分),他对权威的怀疑,精心测量或量化的实验,对时间或音乐时间的欣赏或节奏,以及数学和实验相结合都是留给我们后辈宝贵的财富。


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伽利略

二,为什么要研究自由落体运动的问题?

伽利略在《两门新科学》一书中写道:“我要研究一个非常古老的课题.也许在自然界中最古老的课题莫过于运动了。哲学家们写的关于这方面的书既不少 也不小 但是我从实验中发现了某些值得注意的性质 到现在为止还没有人观察或演示过,人们也做过一些表面的观察 例如 观察到下落重物的自然运动是连续加速的 但还从未有人宣布过这一加速达到什么程度;有着什么样的规律?”

到目前为止,人类已经知道了

1, 放置越高的重物落地的速度越快。

2, 亚里士多德认为物体下落的快慢是由它们的重量大小决定的 物体越重 下落得越快。

3, 可以设想这个问题中的相关因素有:重量,高度,时间,速度。

第一条,很容易便可以通过实验证实。第二条,还有没得到实验的证实,只是大家朴素的想当然。

三,伽利略推翻亚里士多德观点思想实验

伽利略用了一个非常好的思想实验来推翻了亚里士多德的结论。

我们来看一下他是怎么做的:

根据亚里士多德的论断 一块大石头的下落速度要比一块小石头的下落速度大。假定大石头的下落速度为8 小石头的下落速度为4 当我们把两块石头拴在一起时 下落快的会被下落慢的拖着而减慢 下落慢的会被下落快的拖着而加快 结果整个系统的下落速度应该小于8。但是两块石头拴在一起 加起来比大石头还要重 这样的话 根据重物体比轻物体下落得快的假设 推出了重物体比轻物体下落得慢的结论。因此亚里士多德的理论陷入了自相矛盾的境地。伽利略由此推断重物体不会比轻物体下落得快。

伽利略曾在著名的比萨斜塔做了著名的自由落体试验 让两个体积相同 质量不同的球从塔顶同时下落 结果两球同时落地 以实践驳倒了亚里士多德的结论。

到现在我们只剩下第一条结论了,便是放置越高的重物落地的速度越快。问题的相关因素也减少到了三个:高度,时间,速度。

这时候如果是你的话,会怎么去寻找这三者之间的关系呢?

四,伽利略天才假设

伽利略这时候又发挥了他天才的大脑,他认为自然界存在科学美,也就是自然规律会运用最一般,最简单,最容易的手段来达到它的目的。

下面我们来看看他的研究过程:

首先,我们知道匀速直线运动中这三者的关系:

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h=vt

图形中的距离也就是由V和T组成的长方形的面积。

其次,重物是从静止开始的,那么速度随时间增加的方式至少会有以下三种:


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补充一句,这里面伽利略就用到了科学研究中的奥卡姆剃刀,找到最简单最直接的可能性来研究,得出的结论再用科学的实验方法去验证。爱因斯坦研究相对论,寻找光速的时候也是用了这个方式。

从这个思想触发,最可能就便是图A中的情况,即匀加速运动,也就是速度随时间均匀的增加。

假设图中的A情况成立:


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这里就得到了我们高中物理非常熟悉的重力加速度g其实就是图中三角形角a的正切值。

现在,根据他的假设已经得出了速度还有高度跟时间的关系,那就需要通过实验来证明。

怎么证明呢? 只要测出做变速运动的物体通过不同位移所用的时间,就可以验证这个物体是否在做匀变速运动。

五,伽利略是如何通过实验接近真理的?

由于自由落地下落的时间太短,当时用实验直接验证自由落体是匀加速运动仍有困难。伽利略采用了间接验证的方法 他让一个铜球从阻力很小的斜面上滚下 做了上百次的实验 小球在斜面上运动的加速度要比它竖直下落时的加速度小得多 所以时间容易测量些。实验结果表明 光滑斜面的倾角保持不变 从不同位置让小球滚下 小球通过的位移跟所用时间的平方之比是不变的即位移与时间的平方呈正比。由此证明了小球沿光滑斜面向下的运动是匀变速直线运动 换用不同质量的小球重复上述实验 位移跟所用时间的平方的比值仍不变 这说明不同质量的小球沿同一倾角的斜面所做的匀变速直线运动的情况是相同的。

伽利略将上述结果做了合理的外推 把结论外推到斜面倾角增大到97°的情况 这时小球将自由下落 成为自由落体伽利略认为 这时小球仍然会保持匀变速运动的性质。

六,自由落地定律研究的伟大贡献

这个实验是伽利略老人家给我们人类众多伟大贡献中的一个。主要有以下几个方面:

一, 怀疑教条寻求真理,不盲从权威敢于创新。

伽利略经过大量的科学实验和逻辑推理 探索出自由落体运动规律 推翻了流传将近1700年的亚里士多德的关于自由落体运动和质量轻重有密切关系的旧理论。

二, 奠定近代物理学基础,揭开了近代科学的序幕

实现了实验和逻辑推理与思辨猜测的和谐统一,将实验物理思维和数学演绎的巧妙结合,从而建立了 观察—假设—逻辑推理—实验检验的科学方法成功之路


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科学研究规律的初步建立

七,彩蛋时间:万有引力定律是如何研究自由落体运动的

细心的小伙伴有没有发现,其实到现在为止伽利略只是无穷的接近实证了他的理论,并没有真正的得到自由落地实验的数据。而事实上让实验结果尽可能地接近理想状态中的结果,也是我们在当时条件下所能得到的最接近真理的结果了。“惯性定律”和“自由落体运动的自然规律”等等都是靠这样的方法得到的。即g=9.8m/s^2

如果真要细究的话,现在的我们会知道,万有引力定律才是描述两物体之间受力关系的更正确的表达式,只是我们研究的重物相对于地球来说可以忽略不计。


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参考文献:

1,伽利略 百度百科词条

2,伽利略的自由落体定律研究,吴承埙,《物理通报》

3,试述伽利略发现自由落体定律和惯性的经过 并论述其方法特点以及你所得到的启示

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