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伽利略对自由落体运动的研究

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高中物理教材必修1中,伽利略对自由落体运动的研究实际上是一节物理学史课。

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王尚老师视频:伽利略对自由落体运动的研究

在这一节课中,我们将学习到古希腊学者亚里士多德绵延两千年的错误思想,以及物理学的鼻祖伽利略如何来用科学的观点来反驳的。本节介绍给大家的伽利略的科学研究方法是物理研究思想的精髓。

课本第48页提到伽利略的贡献:伽利略“发展了人类的科学思维方式好科学研究方法”,“从伽利略开始,大师辈出,经典如云,近代科学的大门从此打开了”,可以说伽利略是物理学思维的鼻祖。

我们高中物理网的网站标题旁就有这样的一句话,与我们一起探究伽利略、牛顿与爱因斯坦的物理世界。

伽利略

图:伽利略肖像

绵延两千年的错误

人们日常生活的经验告诉我们,重的物体下落总是比较快。比如:树上的一颗苹果和一片树叶同时从树上同一高度掉下来,一定是苹果先落地。

所以在16世纪以前,以亚里士多德为代表的学者认为物体下落的快慢由物体的重力决定,物体越重下落越快。

由于亚里士多德在各方面的突出成就,人们将他的观点奉为经典,当时的教科书上这样写,众多学者也认同。虽然也有人表示怀疑,但由于教会利用他的结论,进行神化处理,所以大家都不敢对这一观点发出公开的质疑。

直到文艺复兴时期,才由伽利略通过推理的方法研究物体下落运动的规律并发表。之后伽利略也由于他的著作而受到教会的迫害,被判处终身监禁,著作也被列为禁书。 

伽利略的斜塔

伽利略斜塔目前已经是热门旅游景点

伽利略的质疑-科学逻辑的力量

16世纪末,意大利比萨大学的 青年学者伽利略Galileo Galilei,对亚里士多德的论断表示了怀疑。后来,他在1638年出版的《两种新科学的对话》一书中对此作出了评论:

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,当我们把两块石头捆在一起时,大石头会被小石头拖着而减慢,结果整个系统的下落速度应该小于8;但两块石头捆在一起,总的重力比大石头还要重,因此整个系统下落的速度要比8还大。

这样,就从“重物比轻物落得快”的前提推断出了互相矛盾的结论,这使亚里士多德的理论陷入了困境。

为了摆脱这种困境,伽利略认为只有一种可能性:重物与轻物应该下落得同样快。

传说伽利略在比萨斜塔上做过落体实验,但后来又被严谨的考证否定了。尽管如此,来自世界各地的人们都要前往参观,他们把这座古塔看作伽利略的纪念碑。  

由于伽利略时代的实验仪器不能精确测量快速下落所需的时间,所以他设想通过斜面落体来“冲淡重力”,并通过延伸斜面和控制斜面倾角来控制物体运动的速度和所经历的时间。

经过多次实验发现,虽然不断改变斜面的倾斜度,但得到的结果有共同点:小球经过的距离的比值等于经过这些距离对应所用时间间隔的平方之比。王尚老师的辅导书物理自诊断每道题都有视频讲解,哪道题不会扫题旁二维码即可看视频,学习更高效,考试分数更高。欢迎加微信teacherws咨询。

伽利略在这个基础上进行合理外推,当倾角增大到90度时,实验结论仍应成立,此即竖直落体运动。至此,伽利略就完成了对自由落体运动的研究。请同学们结合下图来理解。

自由落体运动

虽然当时伽利略已经意识到空气的阻力将影响物体的下落,但是由于科学发展和仪器设备的限制,当时仍然没有办法用实验手段得到真空,所以并不能真正地完成一个自由落体运动的实验。

伽利略的研究也只能停留在理论研究的部分,直到牛顿的时代, 发明了抽气机,才由牛顿设计了钱羽管(又称牛顿管),真正用实验证明在真空中,物体下落速度与物体重力无关。

于是,伽利略的理论终于从纯理论研究进入实验验证,并通过实验验证了其正确性。

伽利略号

图为宇航器:伽利略号

伽利略的科学方法

伽利略对运动的研究,不仅确立了许多用于描述运动的基本概念,而且创造了一套对近代科学的发展极为有益的方法.请同学们总结本节内容,归纳这种科学方法。

同学讨论归纳:对现象的一般观察→提出假设→运用逻辑得出推论→实验进行检验→对假设进行修正和推广→……

1.伽利略的伟大之处就在于他首先采用了实验检验猜想的科学方法。

2.合理的外推,对得出正确结论有重要帮助。

伽利略对问题的研究比较全面,先是通过观察现象,提出假设,运用逻辑和数学推理得出推论,再通过实验对推论进行检验(这是其他物理家在研究同一问题上缺少的关键环节),并对假说进行修正和推广。

他最先研究了惯性运动和落体运动的规律,为牛顿第一定律和第二定律的研究铺平了道路.他倡导实验和理论计算相结合,用实验检验理论的推导.这种研究方法对以后的科学研究工作具有重大的指导意义。

 而且伽利略不迷信权威,对待问题勤于思考,敢于提出问题、挑战权威,不畏强权的精神也是我们应为之喝彩并学习的。王尚老师辅导书物理自诊断,每道题都有视频讲解,哪道题不会扫题旁二维码即可看对应视频,学习更高效,考试分数更高。欢迎添加微信teacherws咨询。1642年,伽利略在贫病交加中逝世,享年78岁。直到1983年,罗马教廷正式承认,350年前宗教裁判所对伽利略的审判是错误的。

学生学习伽利略对自由落体运动问题与王尚老师答疑

学生1:假设法的始祖原来是伽利略啊。真是太赞了,假设法用好了解题特别方便。物理自诊断中有哪些典型题吗,请王老师指点下。

王尚老师:是的,物理解题的假设法的始祖是伽利略。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,当我们把两块石头捆在一起时,大石头会被小石头拖着而减慢,结果整个系统的下落速度应该小于8;但两块石头捆在一起,总的重力比大石头还要重,因此整个系统下落的速度要比8还大。这样,就从“重物比轻物落得快”的前提推断出了互相矛盾的结论,这使亚里士多德的理论陷入了困境。为了摆脱这种困境,伽利略认为只有一种可能性:重物与轻物应该下落得同样快。假设法可以帮我们解决很多物理题,我建议你做一下这些题,并好好看我的视频解析。《物理自诊断》专题1例4,专题5例4,例5,专题11例3,例5,例6;

学生2:竖直上抛运动问题如何处理?

王尚老师:我建议把竖直上抛运动运动分为两段来处理,以最高点为界限。前半段,逆过来考虑,就是自由落体运动过程,而后面的一段就是自由落体运动。《物理自诊断》专题2很多题都是这样讲的,你做做这些题看看我的视频。

学生3:像雨滴不断落下的自由落体运动问题如何分析?

王尚老师:您说的这类题,是高一物理的难点同时也是常考点。类似雨滴不断滴落的问题,要好好审题,牢牢把握住题目中的已知条件,结合一直条件,灵活使用匀变速直线运动方程,还有就是打点计时器纸带处理的公式(加速度公式和中点速度公式),我建议你做一下这两道题,并好好看我的视频解析:《物理自诊断》专题2例3,例10;

参考文献

伽利略介绍http://gaozhongwuli.com/baike/001/20.html

自由落体运动http://gaozhongwuli.com/zongjie/b1/25.html

匀变速直线运动http://gaozhongwuli.com/zongjie/b1/3.html

打点计时器http://gaozhongwuli.com/baike/001/2.html

阿基米德http://gaozhongwuli.com/baike/001/467402.html

作者:王尚,审核:齐思源,版权高中物理网(gaozhongwuli.com),不允许转载。

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