伽利略斜面实验

历史科学实验

伽利略通过科学推理，认为：如果一切接触面都是光滑的，一个钢珠从斜面的某一高度静止滚下，由于只受重力，没有阻力产生能量损耗，那么它必定到达另一斜面的同一高度，如果把斜面放平缓一些，也会出现同样的情况。如果斜面变成水平面，则钢珠找不到同样的高度而会一直保持一种运动状态，永远运动下去。

实验背景

16世纪以前，人们对“运动”的认识，亚里士多德的观念起着主导作用。之后，这一观念逐渐受到一些杰出科学家的尖锐批评。对这一理论的检验和批判，成为16、17世纪力学发展的重要起点。在纠正亚里士多德的错误观点与探索知识的新途径方面，作出突出贡献的当推伽利略，他是第一个成功地打破亚里士多德错误权威的人，作为古代自然哲学和近代科学之间的过渡人物。

伽利略斜面实验的提出，源于他对物体运动规律的研究。1564年，伽利略出生于文艺复兴的发源地意大利。当时正值思想大解放时期，哥白尼的日心说直接冲击着人们宗教观念的整个体系；文艺复兴时期，实验作为探索科学的道路，认识自然的手段，开始得到人们的重视。弗兰西斯，培根大力宣传实验的重要性，极力反对经院哲学，这些活动为伽利略的研究作了准备。

伽利略早期的运动学思想以及自然科学方面的众多建树是在古希腊、中世纪乃至文艺复兴等各个时期的哲学思想、著作、科学成果的肥沃土壤上培育出来的。

实验装置

“取一块长约12库比特，宽约半库比特，厚3指的木板，在上面刻一条一指多一点宽的直而光滑的槽，槽内用羊皮纸贴衬，也尽可能弄得光滑。再准备一个硬的、光滑而且非常圆的黄铜球，将木板的一端抬起1或2库比特，使之倾斜，然后使黄铜球沿整个长槽下滚，同时测出下滚的时间．”

这里时间的测量是一个很困难的问题，伽利略巧妙地用了一台简陋的“水钟”，犹如我国古代计时用的铜壶滴漏。他写道：“为了测定时间，我用了一个大的水桶，并把它架在高处，在桶底安一个小管使有一细小水流从中流出，在每次铜球滚下的时间内都用一个小杯子接下流出的水，然后用一个非常精确的秤称出杯内水的重量，各次水的重量的差别或倍数就给出了各次铜球滚下所用时间的差别或倍数。”

实验内容

在轨道的一边释放一颗钢珠，如果忽略摩擦力带来的影响，我们发现钢珠从左边滚下后，再从右边的斜面滚上，钢珠将上升到与左边释放高度相同的点；若将右边的倾斜角减小，钢珠还是上升到原来的高度，但通过的路程比原来更长；假设右边的轨道为水平，钢珠想要达到原来的高度，但是钢珠无法达到原来的高度，钢珠将永远运动下去。

注意事项

1、三次实验钢珠都要从斜面相同的高度滑下的目的是：保证钢珠到达水平面时获得相同的初速度。

2、实验得出得结论：在部分实验的基础上，以“理论推理”的方式作出“理想实验”，得到“物体的运动不需要力去维持”的结论

3、伽利略通过“理想斜面实验”和科学推理，得出的结论是：力不是维持物体运动的原因。法国科学家笛卡尔补充和完善了伽利略的观点，他提出：如果运动中的物体没有受到除原来的力更多外力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不停下来也不偏离原来的方向．

对运动状态改变的理解

当出现下列情形之一时，就说物体的运动状态改变了。

1、物体的速度大小发生变化；

2、物体的速度方向发生变化；

3、物体的速度大小或方向发生变化。

惯性定律

在追究物体运动的起因时，从表面上看，亚里士多德的观点：要维持一个物体的运动，必须不断地用力推它，似乎是正确且符合事实的。这里有一个更重要的事实曾被人们忽视了2000年，那就是如果不用力推它，它并不立即停止下来。直到17世纪伽利略把科学的实验方法与物理学规律的研究结合起来，才使物理学走上真正科学的道路。他用精确的数学分析总结实验数据，并进行理论演绎或逻辑推理．得出超过实验本身的更普遍的理论结论。为了说明不受外力作用的物体会保持自己的速度不变，伽利略在著名的斜面实验结果中推理指出：“在倾斜的平面上，向上运动的物块，若要使它作匀速运动，必须持续施以向上的推力，在倾斜的平面上，向下滑的物块，必须不断地受到外力阻碍才能够做匀速运动。那么在水平的光滑平面上，物体维持匀速运动就既不需要推力也不需要阻力。”这是对亚里士多德观点认真的批驳。于是根据实验结论进行合理的推理、归纳、总结：“一个运动的物体假如有了某种速度以后，只要没有增加或减少速度的外部原因，便会始终保持这种速度——这个条件只有在水平平面上才有可能，因为假如在沿斜面运动情况里，朝下运动已有了加速的因素，而朝上运动，则已有了减速的因素。”

牛顿在前人工作的基础上进行自己的研究，把伽利略提出的这种加速（或减速）因素，明确地称为力，从而确立了力不是维持物体运动的原因，而是使物体运动状态发生变化的原因。在牛顿的代表作《自然哲学的数学原理》一文中将这表述为牛顿运动第一定律：每个物体继续保持其静止或沿一直线作匀速运动的状态，除非有力加于其上迫使它改变运动状态。

牛顿运动第一定律包含两个重要的物理概念：①每个物体都具有保持其静止或沿一直线作匀速运动的性质，这性质称为惯性，所以牛顿第一定律又称惯性定律。②改变物体的运动状态，使它产生加速度，必须给物体作用以力，这就给力以确切的定性定义：力是使物体改变运动状态的作用。

物理学的贡献

伽利略斜面实验的成功，不仅导出了落体定律和惯性定律，更重要的是使物理学有了一个良好的开端．在文艺复兴以前，整个自然科学（包括物理学）一和哲学融为一体，使自然科学的研究受着经院哲学的巨大影响，被涂上了迷信和清谈的色彩，尽管中世纪的实验科学先声培根曾谆谆告诫：“证明前人说法的唯一方法只有观察和实验，实验科学胜过各种依靠论证的科学。”但是，人们对自然科学的研究仍然习惯于仅通过观察、思考和空洞的辩论，很少有目的地进行实验，伽利略开创了实验和科学推理之先风，爱因斯坦对此给予了高度评价：“伽利略的发现以及他所用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”

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