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伽利略与自由落体的实验



  地面上重物的下落是人类最早观测到的自然现象之一。千万年来,人们根据自己的日常经验都认为重物下落得快,轻物下落得慢。古希腊学者亚里士多德更把这上升到“理论”:重的物体落地快,轻的物体落地慢。

  真正对自由落体运动进行科学研究的是意大利物理学家伽利略(G.Galilei,1564—1642)。他在比萨大学任教期间,多次对亚里士多德的观点提出疑问,他巧妙地设计了一个“佯谬”:如果亚里士多德的论断成立,即重物比轻物下落速度大,那么将一轻一重的两个物体拴在一起下落,“快的会由于被慢的拖着而减速,慢的会由于被快的拖着而加速”,因而它将以比原来那个重物小的速度下落,但这两个物体拴在一起要比原来那个重物更重些。这样,伽利略就从亚里士多德的重物较轻物下落得快的论断,导出了重物下落得更慢的结论。这表明“亚里士多德错了”。伽利略认为,只有假定重力加速度与物体的重量无关,才能消除这个矛盾。

  伽利略向亚里士多德的挑战触怒了许多学者、教授,于是产生了流传广泛的斜塔实验故事。 

  比萨斜塔高179英尺,由于塔基问题,塔身发生倾斜,那正是理想的落体实验场所。伽利略为了证明他的论断,邀请了许多人到斜塔旁观看,有他的支持者,也有他的反对者。伽利略一手拿着一个1磅重的铅球,另一手拿着一个10磅重的铅球,一步一步地登上斜塔。到了塔顶,他向下作了个手势请观众注意,随即双手平举两个铅球让它们同时下落,最后“啪!”的一声,两个重量相差9倍的铅球同时落地。伽利略胜利了。

  这个实验是否由伽利略操作,从当时的各种文献记载(包括伽利略本人的著作)中都无法得到证实。但重要的是,斜塔实验反映了当时的研究者们,对自由落体实验已有很深入的认识:①自由落体的速度极快,为了体现重物、轻物下落速度不同造成下落距离不同,必须有相当的高度以形成这种差别。这就是自由落体实验要在50多米高处的当地最高的建筑物上进行的缘故。②意大利各地的高塔不少,为什么流传下来的却是一个“斜塔实验”?这可能是千百次失败带来的一个必然结果。由于伽利略当时名声显赫,崇拜者们就把斜塔实验的功劳归到他的头上。不过,下面的“斜面实验”确是伽利略亲自设计和操作的。 

  在垂直方向观测自由落体的落地,在当时的技术条件下是很困难的,因为即便在50多米高处下落的物体,到达地面也只要花3秒多钟。为了仔细观测重力作用下物体运动的特点,伽利略设计了一个能将运动时间“放大”的斜面实验。他在一块厚木板上刻一道槽,并将槽打磨得很光滑。再取一个坚硬、光滑并很圆的铜球,放在槽里滚动。抬高槽的一端,使槽倾斜,这样,铜球就在一个斜面上滚动。实验开始时,让铜球放在槽顶沿着槽滚下,并记录整个下滑时间。重复几次,“以便使测得的时间准确到两次测定的结果相差不超过一次脉搏的十分之一。进行这样的操作,肯定了我们的观察是可靠的以后,将球滚下的距离改为槽长的四分之一,测定滚下的时间,我们发现它准确地等于前者的一半。下一步,我们用另一些距离进行试验,把全长所用的时间与全长的二分之一、三分之二、四分之三,或者其他任何分数所用的时间相比较。像这样的实验,我们重复了整整100次,结果总是经过的距离与时间的平方成比例,并且在各种不同坡度下进行实验,结果也都如此……”伽利略在《两种新科学的对话》中所记述的这段话,已道出了匀加速运动中经过的距离与时间的平方成比例的基本规律。

  根据斜面实验,伽利略还提出了惯性的概念。根据亚里士多德的物理学,保持物体匀速运动的是力的持久运动。但是,伽利略从小球在水平面上运动的实验推测,如果没有摩擦力等阻力的作用,小球将保持匀速运动。这就奠定了近代关于物质惯性的基础。遗憾的是,伽利略没有定义匀速运动是在一条直线上的运动,因而没有最后完成惯性的近代定义。


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