论伽利略思想对近代物理的贡献

论伽利略思想对近代物理的贡献摘要：伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）是意大利伟大的物理学家和天文学家。

世界科学史称他为近代科学之父。

他开创了以实验事实为根据并且具有严密逻辑体系的近代科学世界。

他把科学实验方法首次引入物理学中。

他运用数学知识首次提出了惯性原理，加速度等概念，他发现了摆的等时性，自由落体运动。

他在人类历史上首次用自制望远镜观测天体，获得许多重要发现。

他的发明和发现扩大，加深并改变了人类对物质运动和宇宙的认识。

关键字：伽利略星际使者加速度惯性1：引言在人类思想史上，两千多年前希腊的哲学家亚里士多德的学说无疑地起过广泛的影响，然而他关于物理学的论述，许多都是错误的。

他把物体的运动分为自然运动和强制运动。

他认为圆周是完善的几何图形，圆周运动对于所有星体都是天然的，因而是自然运动；另外，地球上的物体都具有其天然位置，重物趋于向下，轻物趋于向上，如果没有其他物体阻碍，物体力图回到天然位置的运动也是自然运动；其他所有形式的运动则都是强制运动。

他还进而指出，关于物体的强制运动，只有在外力的不断作用下才能发生；当外力的作用停止时，运动也立即停止。

从这里可以看出亚里士多德肯定了两点：一、自然运动不涉及曳力的问题，只有强制运动才存在力的问题；二、力是物体强制运动的原因。

从今天来看，这显然是错误的，然而它束缚了人们近两千年。

伽利略开创了实验和理性思维相结合的近代物理研究方法，并用于研究物体的运动。

他对于亚里士多德关于物体运动的粗糙的日常观察、抽象的猜测玄想和想当然的思辨推理十分不满，他通过科学实验和科学推理得到许多正确的结果，总结在他的著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（1632年）和《关于两门新科学的对话》（1938年）中。

本文试通过伽利略的几个重要试验来剖析他对世界近代物理的影响。

2从不同角度分析伽利略对近代物理产生的影响2.1伽利略生平和学术生涯伽利略·伽利莱（Galileo Galilei，1564-1642年）是文艺复兴后期近代实验科学的创始人。

1564年伽利略生于意大利的比萨城，他的父亲是一位才华出众的音乐家和教育家。

1581年，17岁的伽利略受父命进入比萨大学学医，但他对医学不感兴趣，而对古希腊的物理学及亚里士多德、埃夫克利德和阿基米德的著作着迷.于是他离开比萨大学，到佛罗伦萨研究了四年数学。

1589-1592年，伽利略在比萨大学任数学教授，1592-1610年又在帕图亚大学任教.在此期间，伽利略在数学、天文学，特别是力学方面有了很深的造诣，学术上成果累累。

他通过大量的观察和实验总结出了惯性定律、自由落体运动定律和相对性原理；发现了单摆振动的等时性原理；用自制的33倍望远镜观察天象，发现了一系列令人震惊的天文现象。

伽利略将观察到的天文现象写成《星际使者》（Nuncius Sidereus）一书，于1610年发表。

书中介绍了月球上的环状山脉，无数星体构成的银河系，金星的盈亏，木星的四颗卫星，太阳黑斑等等，从而对哥白尼的“天体运行”论提供了有力的支持，同时也动摇了亚里士多德——托勒密的地心说，更是对教会神学和经院哲学的无情打击。

这引起了教会的仇视和憎恨。

1611年，伽利略应邀来到罗马，在罗马期间，伽利略为了确立新的自然研究法——实验法的地位，又同教会的唯心论世界观进行了激烈的斗争，这就更加激怒了教会。

1632年，他的名著《关于两大世界体系的对话》出版，但立即被教会列为禁书。

1633年6月22日，伽利略受到宗教法庭审判，并被判终身软禁，成了“宗教裁判所”的囚徒。

1638年，伽利略在荷兰出版了《关于两门新学科与数学证明的谈话》一书，对自己多年来在力学方面的研究进行了总结。

1642年伽利略与世长辞，葬于佛罗伦萨的圣·克罗切教堂，终年78岁。

2.2伽利略对经典力学的贡献2.2.1摆的等时性伽利略注重实验，勤于思考，善于从人们熟视无睹的平凡事件中挖掘出不平凡的道理。

据说，有一次伽利略在教堂做礼拜时，注意到教堂屋顶悬挂的一盏吊灯摇摆不停。

这本是一个平凡的事，但他观察一段时间后发现，灯的摆动幅度不一样，有时大，有时小，但如果以脉搏跳动次数为标准来测量吊灯的摆动，吊灯没摆动一次所用的时间都差不多。

这一发现引起了伽利略的思考：是不是其他物体的摆动也和吊灯一样有规律可循？带着这一问题，伽利略开始动手研究摆动的规律，并设计了相应的实验。

他在实验后发现，物体摆动一次所用的时间，跟摆动幅度的大小，物体的轻重没有关系，只与摆绳的长度有关系。

这一摆动规律称为摆的等时性。

后来，荷兰科学家惠更斯根据这个原理，制成了历史上第一座摆钟，从此，时间的误差可以减少到秒来计算。

2.2.2斜面滚球试验大约在1604年初，伽利略开始寻找关于“重物自然下降”过程中，速度随时间增加的规律。

如果像传说中的那样，伽利略从比萨斜塔上向下扔落物体，直接对自由落体进行直观测量，要寻找落体的运动规律是相当困难的，因为比萨斜塔高55米，由塔顶竖直自由落下物体到地面需时间3.2秒。

当时既没有精密测量时间的钟表，又不能排除空气对轻重不同的物体施的不同浮力的影响。

因此直接做这种测量是不可能的。

然而，沿斜面下滚得球和竖直下落的球也一样，也是一种“自发下降”，而且沿斜面下滚得球还可以将其下滚速度调节得很慢，这更利于测量，于是伽利略设计了斜面滚球实验。

取一块长约840厘米，宽约42厘米，厚约6厘米的坚硬木板，刨光后在平板西长的正面中央沿板长刻划一条Ф=3厘米的笔直沟槽。

为了使沟槽尽可能地光滑，平整，再用羊皮纸沿沟槽贴牢。

取一只刨光坚实的黄铜圆球做实验的滚球。

在此之前，先将长板的一端垫高约140厘米，使其成为一个斜面，使其倾斜度约为61sin 1-=θ 让黄铜球沿沟槽滚下，同时采用特别装置记录小球下滚的时间，这项实验得重复多次，使先后两次时间差不超过脉搏的1/10。

这种方法被证实可靠之后，再让小球只滚下沟槽长度的1/4，测定其所需时间，看到它只用了原先实验所需时间的一半，接着再就其他长度滚下小球做实验。

比较小球滚过槽总长度作需时间和分别滚下板长的1/2，2/3，3/4以及其他任选长度所需时间，成百次的重复各次实验，所得结果总是：球所通过的路程与时间的平方成正比。

这一结果对于平板的所有斜度都适合。

同时也证明，对不同倾角θ的斜面，球在各个滚落时间的比例恰好是实验者推到所预计的。

伽利略的斜面滚球实验时把真实试验和理想试验相结合的典范。

伽利略在斜面实验中发现，只要把摩擦减小到可以忽略程度，小球从斜面滚下后，可以滚上另一个斜面，而与斜面的倾角无关。

也就是说，无论第二个斜面伸展多远，小球总能到达和出发点相同的高度。

如果第二斜面为水平位置，而且无限延长，则小球会一直运动下去。

实际上这就是我们现在所说的惯性运动；伽利略由此得到了他的“惯性定律”。

2.2.3惯性原理和力与加速度的概念推动重物是需要的力大，而推动轻物是需要的力小，是人们的直觉经验，亚里士多德据此得出普遍性的结论：一切物体均有保持静止或所谓寻找其“天然去处”的本性，认为“任何运动着的物体都必然有推动者”，并用比例定律把动力和速度联系起来。

伽利略得出新的概念，他观察到一个沿着光滑制面向上滑动的物体，因制面的倾角不同而受到不同程度的减速,倾角越小，减速越小。

如果再没有阻力的水平面上滑行，则应保持原速度永远滑行。

因而得出这样的结论：“一个运动的物体，假如有了某种速度以后，只要没有增加或减小速度的外部原因，便会始终保持这种速度——这个条件只有在水平的平面上才有可能，因为在斜面的情况下，朝下的斜面提供了加速度的起因，而朝上的斜面提供了减速的起因；由此可知，在水平面上运动史永久的；因为如果速度是均匀的，它就不能减小或缓慢下来，更不会停止”。

[1]在《两门新科学的对话》中，伽利略便第一次提出了惯性的概念，并第一次把外力和“引起加速或减速的外部原因”即运动的改变联系起来。

在《两门新科学的对话》中，伽利略首先从数学上讨论匀速运动定律。

在匀速运动中，速度保持不变，从而通过的路程余所经历的时间成正比。

接着用纯粹演绎的方法转到加速度上来。

他的主要课题是：“寻求和解是最适合于自然现象的定义，即寻找加速度运动规律。

一种最为简单的加速过程为：在相等的时间内，速度增加相等的量，即v∝t。

还有同样简单的假设：物体运动的速度与所通过的路程成正比，即v∝s。

做加速运动的物体，其速度究竟是否随t 或s 而增加，这决非单凭纯思索，而只能是依靠试验来判断。

在研究物体自由下落规律时，伽利略指出，人人都可以任意取设想运动的变化过程，而方法应当是：“以自然界中实际出现的那种加速度来描述加速现象。

”自由下落也是加速运动，但由于自由下落运动太快，v ∝t 的关系式不能直接用实验去检验，于是伽利略便由v ∝t 推出了加速运动路程与时间的关系式s ∝2t 。

为了使研究过程采用最一般在简单最容易的方法，伽利略采用“减慢”下落过程，即“淡化”自由下落运动的方法来检验，从而创造出了斜面滚球实验。

伽利略进行斜面滚球实验时，为何强调要“成百次”地反复进行呢？不是为了从这么多次的测量中取得平均结果从而找出一般规律，如果这样理解将是对伽利略方法的一种误解。

伽利略实际上所研究的不是多种情况的平均状况，而是寻求一种可以代表许多情况的一种情况。

实验之所以要做很多次的重复，目的在于排除摩擦或一切其他许多干扰的影响，在一种分析上予以鼓励的过程中，寻找一种纯粹的，理想化的情况，方能将路程s 与所对应的时间t 极其精确地测量出来。

这样做并没有证明加速运动的路程s 与时间t 的平方关系的数学式，也就是说并未证明数学式221at s 严格成立，而是以更高的精确度测出了加速度a 的值。

到此为止，伽利略提出了惯性和加速度这个全新的概念，以及在重力作用下物体做匀加速运动的全新的运动概念，为牛顿力学理论体系的建立奠定了基础。

这种全新的概念体系，推翻了1000多年以来亚里士多德学派认为物体运动靠精灵获外界迂回空气推动的学说，也澄清了中世纪含糊的“冲力”说。

这是人类长期以来研究机械运动的理论成果，并且得到了当时地动说的支持者们的拥护。

伽利略虽然没有明确写出惯性原理，他熟练的运用了它，他把物体速度的大小和方向的改变或加速度的产生归于力的作用，这是对力的性质的客观认识，也是牛顿第二运动定律的雏形。

2.2.4自由落体试验伽利略一直对亚里士多德的运动理论深表怀疑。

亚里士多德认为：在落体运动中，重的物体先于轻的物体落到地面，而且速度与重量成正比。

这种看法在经验中确实可以找到证据，比如一根羽毛就比一块石头后落到地面，但是也不难找到反例，比如同样大小的铁球和木球从登高处落下，几乎无法区分哪一个先落下。

伽利略晚年的学生维维安尼曾经在他写的伽利略传记中提到，伽利略在比萨斜塔上作过自由落体实验，证实了所有物体均同时下落，这成了这一著名历史传闻的根源。