伽利略自由落体运动实验验证过程和理念

伽利略自由落体运动实验验证过程和理念

关于落体运动，古希腊哲学家亚里士多德仅仅凭借直觉和观感，曾经作出过这样的结论：重的物体下落速度比轻的物体下落速度快，落体速度与重量成正比。因为人们过分迷信权威，2000多年来，他的学说从未受到任何怀疑，一直到16世纪末，伽利略通过反复的实验，认为如果不计空气阻力，轻重物体的自由下落速度是相同的，从而对亚里士多德的理论提出质疑。他嘲讽那些信奉权威的人，他们认为“有些事情理所当然是对的，仅仅因为亚里士多德是这样说的”。
　　相传伽利略为了公开他的论断，批驳亚氏的落体理论，曾经在一个有“其他教授、哲学家和全体学生”参加的大型集会，登上高高的比萨斜塔，当场做了著名的斜塔落体实验，证实了自己的学说，顿时全场哗然，轰动一时。
　　这个传奇性的故事由伽利略的学生维维安尼流传下来。维维安尼在写《伽利略》时，提到他曾经听说伽利略当年在有其他教授、哲学家和全体学生在场的情况下，从比萨斜塔的最高层重复做过多次试验，证明轻重物体同时落地。关于伽利略的比萨斜塔实验，众说纷纭。有人说他用大小相同而重量不等的两球（可能是铁球与木球）得到同时落地的结果；有人说他是用炮弹和枪弹做的实验。有人则过分宣扬这个实验的意义，说他第...关于落体运动，古希腊哲学家亚里士多德仅仅凭借直觉和观感，曾经作出过这样的结论：重的物体下落速度比轻的物体下落速度快，落体速度与重量成正比。因为人们过分迷信权威，2000多年来，他的学说从未受到任何怀疑，一直到16世纪末，伽利略通过反复的实验，认为如果不计空气阻力，轻重物体的自由下落速度是相同的，从而对亚里士多德的理论提出质疑。他嘲讽那些信奉权威的人，他们认为“有些事情理所当然是对的，仅仅因为亚里士多德是这样说的”。
　　相传伽利略为了公开他的论断，批驳亚氏的落体理论，曾经在一个有“其他教授、哲学家和全体学生”参加的大型集会，登上高高的比萨斜塔，当场做了著名的斜塔落体实验，证实了自己的学说，顿时全场哗然，轰动一时。
　　这个传奇性的故事由伽利略的学生维维安尼流传下来。维维安尼在写《伽利略》时，提到他曾经听说伽利略当年在有其他教授、哲学家和全体学生在场的情况下，从比萨斜塔的最高层重复做过多次试验，证明轻重物体同时落地。关于伽利略的比萨斜塔实验，众说纷纭。有人说他用大小相同而重量不等的两球（可能是铁球与木球）得到同时落地的结果；有人说他是用炮弹和枪弹做的实验。有人则过分宣扬这个实验的意义，说他第一个做自由落体实验一举推翻了亚里士多德的错误。
　　事实上，自由落体实验在伽利略以前就有人做过，并留下了史学记载。1576年，意大利有一位数学家在他的著作中提到自己做过自由落体实验。他是将重20磅与重1磅的铅球从同一高度释放，结果在同一时刻落地，他还表示他没法拯救亚里士多德的教义。荷兰的斯悌文在他1586年的著作中更明确地记载有自由落体实验：“反对亚里士多德的实验是这样的，让我们拿两只铅球，其中一只比另一只重10倍，把它们从30英尺的高度同时丢下去，落在一块木板或有什么可以发出清晰响声的东西上面，那么，我们就会看出轻球并不需要用重铅球10倍的时间，而是同时落到地板上，因此它们发出的声音听上去就像是一个声音一样。”斯悌文是荷兰物理学家，对静力学作过深入研究，非常重视实验和实际应用。不过，斯悌文并没有根据落体实验作进一步的理论探讨。
　　其实，伽利略自己在1591年写的小册子《论运动》中，曾多次提到物体从塔上落下的实验，并对同时落地做出了自己的解释。但他并没有指明这座塔是否就是比萨斜塔，也并没有肯定这个实验是他自己做的。光靠这样一个事实也不足彻底否定亚里士多德的错误诊断。伽利略的高明之处就在于凭借数学的推理，将落体实验转化成斜面实验，从而有可能精确地测量路程和时间的关系，作出判决性的实验结论。

伽利略首先运用理想实验的方式进行逻辑推理，从推理中发现物体下落的快慢和它的重量无关。伽利略设想，如果亚里士多德的观点是正确的，那么，让轻重不同的两个物体下落时，重的物体下落快，轻的物体下落慢。可是，把它们绑在一起让其下落会出现什么情形呢？按照亚里士多德的观点，绑在一起后的物体会比原来重的物体更重，所以它们就比重的物体下落得快。可是，从另一方面分析，绑在一起后，由于重的物体要带动轻的物体运动，它们应该比重的物体下降得慢一些。这显然是两个互相矛盾的结论。无论如何，绑在一起的两个物体只能以一个速度下落，而推理的过程又是完全正确的，因此推理的前提必然是错误的。伽利略由这个推理得出结论：物体下落的快慢与重量无关，所有物体下落快慢都是相同的。 伽利略的论断后来得到了实验证实。当抽气机发明之后，人们就用一根长玻璃管，给管中装入羽毛和铅块，将玻璃管密封，抽出其中的空气，使内部形成真空。此时如果让羽毛和铅块在管中下落，就会看到它们下落的快慢是相同的。 伽利略并不满足于得到的定性结论，他又继续研究物体下落运动的定量规律，探索下落距离和所用时间的关系。前已说过，伽利略那个时代还没有计时的钟，那么伽利略是怎样测量时间的呢？ 为了测量时间，伽利略在一个大的盛水桶底部钻一个小孔，并安上龙头，在龙头下面放上接水容器。打开龙头水就会流入接水容器，称量容器中所接水的质量就可以确定经历的时间。 物体下落时运动很快，经历时间也极短。用伽利略的计时装置对落体运动进行精确研究是办不到的。怎么办呢？伽利略又想出了一个“冲淡重力”的方法。他仔细观察小球在斜面上的运动时发现，斜面越陡，小球运动得越快。伽利略想，如果斜面是垂直的，那么它的运动就是小球的下落运动。因此，小球下落运动可以看作是小球斜面运动的一种特殊情况。因此用斜面做实验就可以研究物体下落的规律。做斜面实验时，斜面的倾斜度可以任意调节，调节到较小的倾斜度时，小球在斜面上运动就比较缓慢，此时用他的计时装置就可以进行较为精确的研究。伽利略反复进行斜面实验，测量出小球在斜面上运动的距离和所用时间，通过推导距离、时间、速率和加速度之间的关系，伽利略得到小球沿斜面滚下或自由下落的运动都是匀加速运动的结论，又进一步发现了物体下落运动的规律——自由落体定律。即物体从静止状态开始下落运动，物体运动的距离同下落的时间的平方成正比。 自由落体定律的发现是伽利略把科学实验和理性思维相结合解决物理学问题的典范。它不仅发现了物体下落运动的客观规律，而且为人类认识自然找到了一条正确的途径和方法，因此，现在人们称伽利略为物理学之父。正是由于伽利略创立的科学方法，物理学研究才走上正确道路