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    伽利略對自由落體運動的研究

    王尚老師微信

    高中物理教材必修1中,伽利略對自由落體運動的研究實際上是一節物理學史課。

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    王尚老師視頻:伽利略對自由落體運動的研究

    在這一節課中,我們將學習到古希臘學者亞里士多德綿延兩千年的錯誤思想,以及物理學的鼻祖伽利略如何來用科學的觀點來反駁的。本節介紹給大家的伽利略的科學研究方法是物理研究思想的精髓。

    課本第48頁提到伽利略的貢獻:伽利略“發展了人類的科學思維方式好科學研究方法”,“從伽利略開始,大師輩出,經典如云,近代科學的大門從此打開了”,可以說伽利略是物理學思維的鼻祖。

    我們高中物理網的網站標題旁就有這樣的一句話,與我們一起探究伽利略、牛頓與愛因斯坦的物理世界。

    伽利略

    圖:伽利略肖像

    綿延兩千年的錯誤

    人們日常生活的經驗告訴我們,重的物體下落總是比較快。比如:樹上的一顆蘋果和一片樹葉同時從樹上同一高度掉下來,一定是蘋果先落地。

    所以在16世紀以前,以亞里士多德為代表的學者認為物體下落的快慢由物體的重力決定,物體越重下落越快。

    由于亞里士多德在各方面的突出成就,人們將他的觀點奉為經典,當時的教科書上這樣寫,眾多學者也認同。雖然也有人表示懷疑,但由于教會利用他的結論,進行神化處理,所以大家都不敢對這一觀點發出公開的質疑。

    直到文藝復興時期,才由伽利略通過推理的方法研究物體下落運動的規律并發表。之后伽利略也由于他的著作而受到教會的迫害,被判處終身監禁,著作也被列為禁書。 

    伽利略的斜塔

    伽利略斜塔目前已經是熱門旅游景點

    伽利略的質疑-科學邏輯的力量

    16世紀末,意大利比薩大學的 青年學者伽利略Galileo Galilei,對亞里士多德的論斷表示了懷疑。后來,他在1638年出版的《兩種新科學的對話》一書中對此作出了評論:

    根據亞里士多德的論斷,一塊大石頭的下落速度要比一塊小石頭的下落速度大。

    假定大石頭的下落速度為8,小石頭的下落速度為4,當我們把兩塊石頭捆在一起時,大石頭會被小石頭拖著而減慢,結果整個系統的下落速度應該小于8;但兩塊石頭捆在一起,總的重力比大石頭還要重,因此整個系統下落的速度要比8還大。

    這樣,就從“重物比輕物落得快”的前提推斷出了互相矛盾的結論,這使亞里士多德的理論陷入了困境。

    為了擺脫這種困境,伽利略認為只有一種可能性:重物與輕物應該下落得同樣快。

    傳說伽利略在比薩斜塔上做過落體實驗,但后來又被嚴謹的考證否定了。盡管如此,來自世界各地的人們都要前往參觀,他們把這座古塔看作伽利略的紀念碑。  

    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歷的時間。

    經過多次實驗發現,雖然不斷改變斜面的傾斜度,但得到的結果有共同點:小球經過的距離的比值等于經過這些距離對應所用時間間隔的平方之比。王尚老師的輔導書物理自診斷每道題都有視頻講解,哪道題不會掃題旁二維碼即可看視頻,學習更高效,考試分數更高。歡迎加微信teacherws咨詢。

    伽利略在這個基礎上進行合理外推,當傾角增大到90度時,實驗結論仍應成立,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。請同學們結合下圖來理解。

    自由落體運動

    雖然當時伽利略已經意識到空氣的阻力將影響物體的下落,但是由于科學發展和儀器設備的限制,當時仍然沒有辦法用實驗手段得到真空,所以并不能真正地完成一個自由落體運動的實驗。

    伽利略的研究也只能停留在理論研究的部分,直到牛頓的時代, 發明了抽氣機,才由牛頓設計了錢羽管(又稱牛頓管),真正用實驗證明在真空中,物體下落速度與物體重力無關。

    于是,伽利略的理論終于從純理論研究進入實驗驗證,并通過實驗驗證了其正確性。

    伽利略號

    圖為宇航器:伽利略號

    伽利略的科學方法

    伽利略對運動的研究,不僅確立了許多用于描述運動的基本概念,而且創造了一套對近代科學的發展極為有益的方法.請同學們總結本節內容,歸納這種科學方法。

    同學討論歸納:對現象的一般觀察→提出假設→運用邏輯得出推論→實驗進行檢驗→對假設進行修正和推廣→……

    1.伽利略的偉大之處就在于他首先采用了實驗檢驗猜想的科學方法。

    2.合理的外推,對得出正確結論有重要幫助。

    伽利略對問題的研究比較全面,先是通過觀察現象,提出假設,運用邏輯和數學推理得出推論,再通過實驗對推論進行檢驗(這是其他物理家在研究同一問題上缺少的關鍵環節),并對假說進行修正和推廣。

    他最先研究了慣性運動和落體運動的規律,為牛頓第一定律和第二定律的研究鋪平了道路.他倡導實驗和理論計算相結合,用實驗檢驗理論的推導.這種研究方法對以后的科學研究工作具有重大的指導意義。

     而且伽利略不迷信權威,對待問題勤于思考,敢于提出問題、挑戰權威,不畏強權的精神也是我們應為之喝彩并學習的。王尚老師輔導書物理自診斷,每道題都有視頻講解,哪道題不會掃題旁二維碼即可看對應視頻,學習更高效,考試分數更高。歡迎添加微信teacherws咨詢。1642年,伽利略在貧病交加中逝世,享年78歲。直到1983年,羅馬教廷正式承認,350年前宗教裁判所對伽利略的審判是錯誤的。

    學生學習伽利略對自由落體運動問題與王尚老師答疑

    學生1:假設法的始祖原來是伽利略啊。真是太贊了,假設法用好了解題特別方便。物理自診斷中有哪些典型題嗎,請王老師指點下。

    王尚老師:是的,物理解題的假設法的始祖是伽利略。根據亞里士多德的論斷,一塊大石頭的下落速度要比一塊小石頭的下落速度大。假定大石頭的下落速度為8,小石頭的下落速度為4,當我們把兩塊石頭捆在一起時,大石頭會被小石頭拖著而減慢,結果整個系統的下落速度應該小于8;但兩塊石頭捆在一起,總的重力比大石頭還要重,因此整個系統下落的速度要比8還大。這樣,就從“重物比輕物落得快”的前提推斷出了互相矛盾的結論,這使亞里士多德的理論陷入了困境。為了擺脫這種困境,伽利略認為只有一種可能性:重物與輕物應該下落得同樣快。假設法可以幫我們解決很多物理題,我建議你做一下這些題,并好好看我的視頻解析。《物理自診斷》專題1例4,專題5例4,例5,專題11例3,例5,例6;

    學生2:豎直上拋運動問題如何處理?

    王尚老師:我建議把豎直上拋運動運動分為兩段來處理,以最高點為界限。前半段,逆過來考慮,就是自由落體運動過程,而后面的一段就是自由落體運動。《物理自診斷》專題2很多題都是這樣講的,你做做這些題看看我的視頻。

    學生3:像雨滴不斷落下的自由落體運動問題如何分析?

    王尚老師:您說的這類題,是高一物理的難點同時也是常考點。類似雨滴不斷滴落的問題,要好好審題,牢牢把握住題目中的已知條件,結合一直條件,靈活使用勻變速直線運動方程,還有就是打點計時器紙帶處理的公式(加速度公式和中點速度公式),我建議你做一下這兩道題,并好好看我的視頻解析:《物理自診斷》專題2例3,例10;

    參考文獻

    伽利略介紹http://www.q6113.com/baike/001/20.html

    自由落體運動http://www.q6113.com/zongjie/b1/25.html

    勻變速直線運動http://www.q6113.com/zongjie/b1/3.html

    打點計時器http://www.q6113.com/baike/001/2.html

    阿基米德http://www.q6113.com/baike/001/467402.html

    作者:王尚,審核:齊思源,版權高中物理網(www.q6113.com),不允許轉載。

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