伽利略钟摆
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图1 伽利略观察吊灯
制造更精确的计时工具的关键是寻找时间间隔更小的周期性现象,然后
通过一定的技术手段,利用这种周期性变化制作计时的工具。
伽利略是一位伟大的物理学家,1564年诞生于意大利的比萨。小时候,伽
利略就常常不满足别人告诉的道理,而是喜欢亲自探索、研究和证明问题。他的
父亲希望伽利略长大后从事既高雅、报酬又丰厚的医生职业,可是,伽利略对医
学没有兴趣,他却把相当多的时间用于钻研古希腊的哲学著作,学习数学和自然
科学。
图2 伽利略
据说,有一次伽利略到教堂作礼拜,礼拜开始不久,一位工人给教堂中的大
吊灯添加灯油时,不经意触动了吊灯,使它来回摆动。摆动着的大吊灯映入了伽
利略的眼帘,引起他的注意。伽利略聚精会神地观察着,他感觉到吊灯来回摆动
的时间好像是相等的。伽利略知道人的脉搏是均匀跳动的,于是,他利用自己的
脉搏计时,同时数着吊灯的摆动次数。起初,吊灯在摆动的幅度比较大,摆动速
度也比较大,伽利略测算了来回摆动一次的时间。过了一会儿,吊灯摆动的幅度
变小了,摆动速度也变慢了,此时,他又测量了吊灯来回摆动一次的时间。让他
大为吃惊的是,两次测量的时间是相同的。于是伽利略继续测量来回摆动一次的
时间,直到吊灯几乎停止摆动时才结束。可是每次测量的结果都表明来回摆动一
次需要相同的时间。通过这些测量使伽利略发现:吊灯来回摆动一次需要的时间
与摆动幅度的大小无关,无论摆幅大小如何,来回摆动一次所需时间是相同的,
也就是说吊灯的摆动具有等时性,或者说具有周期性。
伽利略是一位十分认真又喜欢研究问题的人,根本不会满足只从一次实验中
得到的结果。对于自然现象,他总是反复进行实验研究,探索其中蕴藏的奥秘。
他想,吊灯摆动的快慢(也称为摆动的周期)可能跟哪些因素有关呢?
通过在教堂中的观察,伽利略已经知道,摆动的周期跟摆动幅度无关。他猜
想,是否跟吊灯的轻重有关呢?是否跟吊绳的长短有关呢?还有没有其他因素
呢?
为了模拟吊灯的摆动,他找来丝线、细绳、大小不同的木球、铁球、石块、
铜球等实验材料,用细绳的一端系上小球,将另一端系在天花板上,这样就做成
了一个摆。用这套装置,伽利略继续测量探索摆动的周期。他先用铜球实验,又
分别换用铁球和木球实验。实验使伽利略看到,无论用铜球、铁球,还是木球实
验,只要摆长不变,来回摆动一次所用时间就相同。这表明单摆的摆动周期与摆
球的质量无关。伽利略又做了十几个摆长不同的摆,逐个测量它们的周期。实验
表明:摆长越长,周期也越长,摆动得就越慢。
图3 惠更斯制作的摆钟
单摆等时性的发现,奠定了制造摆钟的坚实基础,为人类更加精确地测
量时间开辟了道路。伽利略就曾经提出利用单摆的等时性制造钟表,并且让他的
儿子维琴佐和维维安尼设计了制造钟表的图纸,但是,他们却没有把钟表制造出
来。后来,荷兰物理学家惠更斯从理论和实验两个方面进行了大量研究,得出了
单摆的周期公式,并不断改进技术,于1656年制造出人类有史以来第一个摆钟,
使伽利略制造钟表的设想变为现实。惠更斯把制造的“有摆落地大座钟”献给了
荷兰政府。1657年,他取得了摆钟的专利权。右图为惠更斯研制的摆钟。
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自从摆钟问世以来,钟表经历了几代的变迁。人们不断改变钟表的制造技术,
使它的精密度越来越高。从摆钟到座钟,从壁钟到挂钟,从怀表到各种各样的手
表,从机械钟到电子钟,又从电子钟到原子钟,可谓变化万端。但是钟表运行的
原理都是利用了某种周期性现象。摆钟靠摆锤的摆动计时,机械手表靠摆轮和游
丝计时,电子表靠电磁振动计时,石英钟靠石英晶体的振动计时,原子钟靠电子
在原子内跃迁时发光的频率来计时,它的振动频率最稳定,已成为世界上精度最
高的钟。
对我们的启示
通过上面的探究过程我们可以发现,测量时间首先要确定时间的标准,也就
是找到周期性现象的周期。同样,其他物理量的测量也是如此。测量长度,要先
确定长度标准;测量质量,要先确定质量标准;测量温度,要先确定温度标准,
等等。然后根据这些标准就可以制造出相应的测量工具,使我们在生活和实验室
中方便的测量这些物理量了。这真是,看似简单的钟表、刻度尺、温度计里面,
还蕴含着这么多的道理呢!
伽利略把观察和实验引入到问题研究中来,建立起了科学的物理学,使伽利
略成为物理学的创始人。摆钟的诞生标志着人类对时间的测量进入崭新阶段,从
此,人类更加明确地建立起时间观念,社会生活的节奏也更加紧凑。现在世界上
能有这种最普遍和最有用的发明——摆钟,既要感谢教堂里那盏摆动的吊灯,更
是依赖于伽利略的观察思考和实验探