高中物理 勻變速直線運(yùn)動的研究——伽利略對自由落體運(yùn)動的研究

伽利略是一位偉大的物理學(xué)家和天文學(xué)家,他在現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展過程中做出了卓越的貢獻(xiàn)。伽利略最著名的貢獻(xiàn)之一,是他在自由落體運(yùn)動方面的研究。

早在古希臘時期,亞里士多德提出從高處自由下落的物體,重的物體下落的速度要比輕的物體快,由于這個觀點(diǎn)符合大家的常識,所以在之后的兩千多年里一直被認(rèn)為是正確的,直到伽利略提出質(zhì)疑。
伽利略利用邏輯推理說明了這個問題。假設(shè)有兩個大小不同的石塊從同一高度自由下落,根據(jù)亞里士多德的觀點(diǎn),大的石塊下落的快,假設(shè)速度是8;小的石塊下落的慢,假設(shè)速度是4。
如果將兩個石塊綁在一起,那么下落速度應(yīng)該為12;如果用一根繩子將兩個石塊連在一起,那么大石塊下落的速度會被小石塊拖慢,而小石塊的速度會因為大石塊變快。這就產(chǎn)生了矛盾。那么真相只有一個,下落的速度應(yīng)該一樣快。
提出這樣的質(zhì)疑以后,伽利略開始了進(jìn)一步的研究,由于當(dāng)時并沒有對于速度的明確定義,所以還需要建立一套描述運(yùn)動的概念,也就是今天我們所學(xué)的速度,加速度等,都是由伽利略提出來的。
那個時候也沒有現(xiàn)在這樣的計時儀器,采用的是滴水計時的方法。伽利略認(rèn)為自然的規(guī)律應(yīng)該是簡單明了的,從這個角度出發(fā),他認(rèn)為自由落體運(yùn)動應(yīng)該是一種簡單的變速運(yùn)動,速度變化應(yīng)該是均勻的,提出了兩種可能性:一種是速度的變化對于時間是均勻的;另一種是速度對于位移的變化是均勻的。
后面發(fā)現(xiàn)速度與位移的變化關(guān)系研究起來很復(fù)雜,所以伽利略從速度與時間的關(guān)系開始研究,通過數(shù)學(xué)計算發(fā)現(xiàn),如果速度與時間成正比,那么位移與時間的二次方成正比。只要在實(shí)驗中測量出不同位移所用的時間,就可以得到速度的變化情況。
但是落體的速度很快,滴水計時很難測量時間,所以伽利略使用“沖淡”重力的方法,即將小球放在斜面上使其滾下,增加斜面的長度但保持傾角不變,傾角不變加速度就不變,測量出小球沿斜面做的是勻加速直線運(yùn)動。然后不斷增大斜面與水平面的夾角,實(shí)驗得到加速度就會增大,此時伽利略提出了一個大膽的推測,當(dāng)傾角增加到90°的時候,不就是自由落體運(yùn)動嗎?
伽利略的推測和實(shí)驗令人欽佩,但是大家提出了質(zhì)疑,生活中常見的現(xiàn)象大多數(shù)時候是重的物體落得比較快,是什么原因呢?伽利略把原因總結(jié)為空氣阻力的影響,如果完全排除空氣阻力的影響,不同重量的物體下落的速度一定是一樣的。研究問題時候抓住主要因素,忽略次要因素是很重要的事情。
伽利略科學(xué)思想的核心是把實(shí)驗和邏輯推理(包括數(shù)學(xué)推理)和諧的結(jié)合在一起,給出了科學(xué)研究過程的基本要素:對現(xiàn)象的一般觀察——提出假設(shè)——運(yùn)用邏輯(包括數(shù)學(xué))提出推論——通過實(shí)驗對推論進(jìn)行驗證——對假說進(jìn)行修正和推廣。
在高中階段,我們學(xué)習(xí)物理就是要按照這樣的方法,培養(yǎng)自己這方面的能力,而不是背背公式刷刷題,每一個能把物理學(xué)好的人,絕對是具有很強(qiáng)的邏輯推理和動手實(shí)驗的能力。所以請同學(xué)們以課本為主,多思考多研究,理解現(xiàn)象的本質(zhì),掌握科學(xué)的方法,才能在物理學(xué)習(xí)的過程中扶搖直上。