伽利略自由落體實驗(伽利略自由落體實驗方法)

人們對自由落體運動的研究早在兩千多年前亞里斯多德時代就已經(jīng)開始研究了，可惜一直到16世紀(jì)的伽利略時代才認(rèn)識清楚。讓我們通過課本穿越時空回到16世紀(jì)體驗一下伽利略是如何研究自由落體運動的，我們從中能學(xué)到哪些思想方法？

亞里士多德，前384—前322年，西方的“圣人”，古希臘著名的科學(xué)家和哲學(xué)家。擅長理論思辨，才華橫溢，古代知識的集大成者。恩格斯稱他學(xué)識最淵博的人。但他犯了一個錯誤，而且影響了人類兩千多年。這是關(guān)于落體運動的問題，具體是“輕、重兩個物體從同一高度同時下落，哪個先落地？”

實驗1 一張紙片和一個粉筆頭從同一高度同時下落

實驗2 把紙片捏成團(tuán)，再與粉筆頭從同一高度同時下落

結(jié)論：幾乎同時落地，物體下落的快慢與輕重?zé)o關(guān)。亞里斯多德的觀點：重的物體下落的快。

問題：智慧博學(xué)如亞氏者，何以鑄成大錯，且一錯近二千年。為什么會犯錯？可怕的是什么？

生：落體運動司空見慣，確實經(jīng)常發(fā)生重的物體下落的快，蘋果和樹葉下落，蘋果落的快；紙片和粉筆頭同時下落，粉筆頭下落的快。圣人也有弱點，他擅長理論思辨，從沒有做過一個實驗。可怕的是盲從圣賢，不敢懷疑，禁錮人的思想。

展示幻燈片：

我們時刻不能丟掉一顆懷疑的心，很可能在某些新的情況下，我們習(xí)以為常的規(guī)律會出問題。

不要盲從權(quán)威，要敢于懷疑，勇于解放思想。

問題1.伽利略在青年時期非常信仰亞里士多德，他在什么情況下對亞里斯多德關(guān)于“重的物體下落的快”的觀點產(chǎn)生懷疑？

答：大家知道伽利略在教堂觀察吊燈的故事吧，他喜歡觀察和思考，用脈搏測出吊燈擺動一次時間不變的。回去后又做了好多次實驗，發(fā)現(xiàn)擺動一次的時間與物體的輕重?zé)o關(guān)。這時候他對亞里斯多德關(guān)于“重的物體下落的快”的觀點產(chǎn)生懷疑。

問題2.他提出了一個兩難推理，是什么？為了解決這個兩難推理，他提出了一種什么觀點？

答：用繩子把兩塊石頭連在一起，由于總體重量大于任一石頭，按亞里士多德的觀點，其下落速度應(yīng)大于任一石頭單獨下落的速度；另一方面，用繩子連在一起的兩塊石頭畢竟仍是分開運動的，大石頭運動得快，小石頭運動得慢，大石頭必然會被小石頭“拖后腿”，使總體的運動速度小于大石頭單獨運動的速度。

用同一觀點分析同一問題卻得到完全矛盾的兩個結(jié)論，說明亞里士多德的觀點是錯誤的。

為了擺脫這種困境，伽利略認(rèn)為只有一種可能性：重物與輕物應(yīng)該下落的同樣快。

問題1.伽利略為了研究清楚自由落體運動的規(guī)律，準(zhǔn)備用實驗的方法研究。首先碰到的困難是什么？怎么解決？

答：當(dāng)時沒有描述運動所需的概念，他首先建立起了速度、加速度等概念，這是伽利略對物理學(xué)的貢獻(xiàn)之一。

展示幻燈片：

自然界是簡單的，一切運動都是以最簡單的秩序運行。

——伽利略

問題2.這是伽利略的信念，所以他猜想自由落體運動也一定是最簡單的變速運動，而最簡單的變速運動應(yīng)該是怎樣變化？

答：速度均勻變化。他考慮了兩種可能。一種是速度隨時間均勻變化，一種是速度隨位移均勻變化。

展示幻燈片：

伽利略比他的前人更偉大，就在于他首先采用了以實驗檢驗猜想和假設(shè)的科學(xué)方法。在他之前，學(xué)者們總是通過思辨性的論戰(zhàn)來決定誰是誰非。

愛因斯坦：提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決一個問題有時僅僅是一個數(shù)學(xué)上或?qū)嶒炆系募记桑岢鲂聠栴}、新的可能性，從新的角度看問題，卻需要創(chuàng)造性的想象力，而且標(biāo)志著科學(xué)上的真正進(jìn)步。

師：所以有人說猜想、提出問題是科學(xué)探究中最活躍的因素，它需要創(chuàng)造性的想象力。我的觀點是遇到問題你應(yīng)該高興，這是你增長能力的大好機會，但一定要具體描述清楚你的問題。有的同學(xué)做的很好，作業(yè)本上經(jīng)常談一下自己的看法，然后讓老師幫忙分析。

問題1.伽利略如何排除其中一種可能的？你能用數(shù)學(xué)圖像加以解釋嗎？

答：做V---X圖像，是一條過原點的直線，斜率的意義是時間的倒數(shù)。斜率恒定，可時間是變化的，所以速度與位移不成正比。

問題2.伽利略需要想辦法證明速度與時間成正比。需要測量速度和時間。如何解決測速度的問題？如何測時間？

答：速度不好測，但位移容易測量。怎樣就轉(zhuǎn)化成測位移？從速度時間圖像看出，X正比于時間的平方。這樣就轉(zhuǎn)化為測位移X。測時間在當(dāng)時用的是滴水計時法，銅壺滴漏。

問題3.伽利略如何解決測時間的問題？

答：由于伽利略時代的實驗儀器不能精確測量快速下落所需的時間，所以他設(shè)想通過斜面落體來“沖淡重力”，并通過延伸斜面和控制斜面傾角來控制物體運動的速度和所經(jīng)歷的時間。經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)，雖然不斷改變斜面的傾斜度，但得到的結(jié)果有共同點：小球經(jīng)過的距離的比值等于經(jīng)過這些距離對應(yīng)所用時間間隔的平方之比。

展示幻燈片：轉(zhuǎn)化是解決問題的重要策略。

問題4.斜面實驗并不是自由落體運動，能說明自由落體運動的規(guī)律嗎？伽利略是如何做的？

答：小球沿斜面向下的運動并不是落體運動。但是伽利略將上述結(jié)果進(jìn)行合理外推，當(dāng)傾角增大到９０度時，實驗結(jié)論仍應(yīng)成立，此即豎直落體運動。至此，伽利略就完成了對自由落體運動的研究。）

展示幻燈片：

有夢想，誰都了不起；有勇氣，才會有奇跡。

“科學(xué)實驗+合理的推理”是一種科學(xué)的思想方法。愛因斯坦說“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)推理方法，是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端。”

問題5.伽利略的邏輯和實驗自然使人欽佩，但人們又會疑惑地問道：為什么生活中經(jīng)常出現(xiàn)較重的物體下落的快的現(xiàn)象？

答：空氣阻力的作用。如果完全排除空氣阻力，那么，所有物體將下落的同樣快。1969年人類首次登月成功。在一次登月活動中，宇航員R.Scort在月球上做了落體實驗，證實了榔頭和羽毛下落一樣快。）

展示幻燈片：

在科學(xué)研究中，懂得忽略什么，有時與懂得重視什么同等重要。

師：生活中何嘗不是如此？有舍才有得。舍去浮躁，得到穩(wěn)重；舍去辛勤的汗水，得到成功的喜悅。