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『上投动力』论述伽利略的資料

一、伽利略的資料

伽利略(Galileo Galilei,1564-1642),意大利物理學家、天文學家和哲學家,近代實驗科學的先驅者。伽利略著有《星際使者》、《關于太陽黑子的書信》、《關于托勒玫和哥白尼兩大世界體系的對話》和《關于兩門新科學的談話和數學證明》。

伽利略伽利雷(Galileo Galilei,1564-1642)他是近代實驗科學的先驅者,是意大利文藝複興後期偉大的意大利天文學家、力學家、哲學家、物理學家、數學家。也是近代實驗物理學的開拓者,被譽為“近代科學之父”。 他是為維護真理而進行不屈不撓的戰士。恩格斯稱他是“不管有何障礙,都能不顧一切而打破舊說,創立新說的巨人之一”。1564年2月15日生于比薩,1642年1月8日卒于比薩。伽利略家族姓伽利雷(Galilei),他的全名是Galileo Galilei,但現已通行稱呼他的名Galileo,而不稱呼他的姓。因為翻譯問題,所以姓衆說紛纭,以伽利略伽裡雷為準。 1590年,伽利略在比薩斜塔上做了“兩個球同時落地”的著名實驗,從此推翻了亞裡士多德“物體下落和重量成比例”的學說,糾正了這個持續了1900年之久的錯誤結論。 但是伽利略在比薩斜塔做實驗的說法後來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,他們把這座古塔看做伽利略的紀念碑。 1609年,伽利略創制了天文望遠鏡(後被稱為伽利略望遠鏡),并用來觀測天體,他發現了月球表面的凹凸不平,并親手繪制了第一幅月面圖。1610年1月7日,伽利略發現了木星的四顆衛星,為哥白尼學說找到了确鑿的證據,标志着哥白尼學說開始走向勝利。借助于望遠鏡,伽利略還先後發現了土星光環、太陽黑子、太陽的自轉、金星和水星的盈虧現象、月球的周日和周月天平動,以及銀河是由無數恒星組成等等。這些發現開辟了天文學的新時代。 伽利略著有《星際使者》《關于太陽黑子的書信》《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》和《關于兩門新科學的談話和數學證明》。 為了紀念伽利略的功績,人們把木衛一、木衛二、木衛三和木衛四命名為伽利略衛星。 人們争相傳頌:“哥倫布發現了新大陸,伽利略發現了新宇宙”。 伽利略為牛頓的牛頓運動定律第一、第二定律提供了啟示。他非常重視數學在應用科學方法上的重要性,特别是實物與幾何圖形符合程度到多大的問題!

主要貢獻

可分下列三個方面: ①力學 伽利略是第一個把實驗引進力學的科學家,他利用實驗和數學相結合的方法确定了一些重要的力學定律。1582年前後,他經過長久的實驗觀察和數學推算,得到了擺的等時性定律。接着在1585年因家庭經濟困難辍學。離開比薩大學期間,他深入研究古希臘學者歐幾裡得、阿基米德等人的著作。他根據杠杆原理和浮力原理寫出了第一篇題為《天平》的論文。不久又寫了論文《論重力》,第一次揭示了重力和重心的實質并給出準确的數學表達式,因此聲名大振。與此同時,他對亞裡士多德的許多觀點提出質疑。 在1589~1591年間,伽利略對落體運動作了細緻的觀察。從實驗和理論上否定了統治千餘年的亞裡士多德關于“落體運動法則”确立了正确的“自由落體定律”,即在忽略空氣阻力條件下,重量不同的球在下落時同時落地,下落的與重量無關。根據伽利略晚年的學生V.維維亞尼的記載,落體實驗是在比薩斜塔上公開進行的:1589年某一天,伽利略将一個重10磅,一個重1磅的鐵球同時抛下,幾乎同時落地,在場的競争者個個目瞪口呆,在大笑中聳聳肩走了。但在伽利略的著作中并未明确說明實驗是在比薩斜塔上進行的。因此近年來對此存在争議。 伽利略對運動基本概念,包括重心、、加等都作了詳盡研究并給出了嚴格的數學表達式。尤其是加概念的提出,在力學史上是一個裡程碑。有了加的概念,力學中的動力學部分才能建立在科學基礎之上,而在伽利略之前,隻有靜力學部分有定量的描述。 伽利略曾非正式地提出過慣性定律(見牛頓運動定律)和外力作用下物體的運動規律,這為牛頓正式提出運動第一、第二定律奠定了基礎。在經典力學的創立上,伽利略可說是牛頓的先驅。 伽利略還提出過合力定律,抛射體運動規律,并确立了伽利略相對性原理. 伽利略在力學方面的貢獻是多方面的。這在他晚年寫出的力學著作《關于兩門新科學的談話和數學證明》中有詳細的描述。在這本不朽著作中,除動力學外,還有不少關于材料力學的内容。例如,他闡述了關于梁的彎曲試驗和理論分析,正确地斷定梁的抗彎能力和幾何尺寸的力學相似關系。他指出,對長度相似的圓柱形梁,抗彎力矩和半徑立方成比例。他還分析過受集中載荷的簡支梁,正确指出最大彎矩在載荷下,且與它到兩支點的距離之積成比例。伽利略還對梁彎曲理論用于實踐所應注意的問題進行了分析,指出工程結構的尺寸不能過大,因為它們會在自身重量作用下發生破壞。他根據實驗得出,動物形體尺寸減小時,軀體的強度并不按比例減小。他說:“一隻小狗也許可以在它背上馱兩三隻同樣大小的狗,但我相信一匹馬也許連一匹和它同樣大小的馬也馱不起。” ②天文學 他是利用望遠鏡觀測天體取得大量成果的第一位科學家。這些成果包括:發現月球表面凹凸不平,木星有四個衛星(現稱伽利略衛星),太陽黑子和太陽的自轉,金星、木星的盈虧現象以及銀河由無數恒星組成等。他用實驗證實了哥白尼的“地動說”,徹底否定了統治千餘年的亞裡士多德和托勒密的“天動說”。 ③哲學 他一生堅持與唯心論和教會的經院哲學作鬥争,主張用具體的實驗來認識自然規律,認為經驗是理論知識的源泉。他不承認世界上有絕對真理和掌握真理的絕對權威,反對盲目迷信。他承認物質的客觀性、多樣性和宇宙的無限性,這些觀點對發展唯物主義的哲學具有重要的意義。但由于曆史的局限性,他強調隻有可歸納為數量特征的物質屬性才是客觀存在的。 伽利略因為支持日心說入獄後,“放棄”了日心說,他說,”考慮到種種阻礙,兩點之間最短的不一定是直線”,正是因為他有這樣的思想,暫時的放棄換得永遠的支持,沒有像布魯諾那樣去壯烈,但卻可以為科學繼續貢獻自己的力量。

[編輯本段]科學發現

古希臘在物理學說方面有兩大學派,一派以哲學家亞裡士多德為代表,另一派則以自然科學家阿基米德為代表。兩人皆是古代希臘蓍名的學者,但由于兩人的觀點和方法不同,其科學結論也就各異,并形成了鮮明的對立。亞裡士多德學派的觀點基本是唯心的,他是憑主觀思考和純推理方法作結論的,所以是充斥着謬誤。而阿基米德學派的觀點基本是唯物的,他完全依靠靠科學實踐方法得出結論。 然而從11世紀起,在基督教會的扶持下,亞裡士多德的著作得到了經院哲學家的重視,他們排斥阿基米德的物理學,把亞裡士多德的物理學奉為經典,凡違反亞裡士多德物理學的學者均被視為“異端邪說”。但伽利略卻對亞裡士多德的物理學抱懷疑态度,相反他特别重視對阿基米德物理學的研究,他重視理論聯系實際,注意觀察各種自然現象,思考各種問題。在伽俐略十八歲那年,一次到比薩教堂去做禮拜,他注意到教堂裡懸挂的那些長明燈被風吹得一左一右有規律地擺動,他按自己脈搏的跳動來計時,發現它們往複運動的時間總是相等的。就這樣他發現了擺的等時性,後來荷蘭物理學家惠更斯根據這個原理制成挂擺時鐘,人們稱之為"伽利略鐘"。 伽利略根據阿基米德的學說,作了迅速确定合金成分的流體靜力天平的研究,發明了可以測定物質伽利略在比薩斜塔演示自由落體實驗密度的"小天平",寫出了名為《小天平》的論文。後來他又潛心研究了物體重心的幾何學,于1588年發表了《固體的重心》的論文,引起學術界的注意。第二年,在友人的推薦下,被比薩大學聘任為數學教授。 亞裡士多德認為兩個物體以同一高度落下,重的比輕的先着地,但伽利略經過反複的研究與實驗後,改寫了這一結論:物體下落的快慢與重量無關。傳說1590年,伽利略在比薩斜塔公開做了落體實驗,驗證了亞裡士多德的說法是錯誤的,使統治人們思想長達2000多年的亞裡士多德的學說第一次發生動搖。而應邀前來觀看的一些著名學者卻否認自己親眼見到的一切,他們群起攻擊伽利略。後來此傳說被證明是不存在的。不過因為其進步思想有違神學之論,1591年,伽利略被比薩解聘。 從科學史上看,伽利略并不是落體實驗的首創者,其首創者是比利時的斯台文。但伽利略的比薩斜塔實驗所造成的影響卻是更為深遠的。 1592年,伽利略來到威尼斯的帕多瓦大學任教,開始了他科學活動的黃金時期。在這一時期,他研究了大量的物理學問題,如斜面運動、力的合成、抛射體運動等。他還對液體與熱學作了研究,發明了溫度計。1609年,伽利略制成了天文望遠鏡,并用這台望遠鏡去探索宇宙的奧秘,他發現月球的表面凹凸不平,有高山深谷;木星有四顆衛星圍繞它旋轉,金星和月亮一樣有盈有虧;土星有光環;太陽有黑子,能自轉。銀河是由于千千萬萬顆暗淡的星星所組成。這些發現為哥白尼、布魯諾的觀點提供了有力的證據。對教會的信條進行了嚴厲的打擊。 第二年,他出版了《星際使者》,通俗地向讀者介紹他觀察到的天空現象,宣傳了他的觀點。這部著作在歐洲引起了極大的轟動,伽利略因此被稱為“天空的哥倫布”。1613年,他在羅馬發表了《論太陽黑子》。該書以書信形式明确指出了哥白尼學說是正确的,托勒密學說是錯誤的。由此伽利略觸怒了教會,開始受到宗教裁制所的審訊。 在教廷的壓制下,伽利略仍繼續科學研究,在長期觀察和研究天體運動的實踐中,他更加堅信哥白尼學說的正确性。1632年1月,伽利略在佛羅倫薩出版了《關于托勒密和哥白尼的兩大世界體系的對話》。他在書中用三位學者對話的形式,作了四天的談話。讨論了三個問題:1、證明地球在運動;2、充實哥白尼學說;3、地球的潮汐。《對話》總結了伽利略長期科研實踐中的各種科學發現,宣告了托勒密地心說理論的破産,從根本上動搖了教會的最高權威,從而推動了唯物論思想的發展。這部著作一經出版便受到廣大讀者的歡迎。但卻遭到了羅馬教會的反對。伽利略因此而受到了長期的監禁。 1636年,伽利略在監禁中偷偷地完成了他一生中另一部偉大的著作《關于兩種新科學的對話》。該書于1638年在荷蘭出版。這部偉大著作同樣是以三人對話形式寫的。“第一天”是關于固體材料強度的問題,反駁了亞裡士多德關于落體的依賴于其重量的觀點;“第二天”是關于内聚作用的原因,讨論了杠杆原理的證明及梁的強度問題;“第三天”讨論了勻速運動和自然加速運動;"第四天"是關于抛射體運動的讨論。這一巨著從根本上否定的亞裡士多德的運動學說。

[編輯本段]科學研究方法

伽利略對物理規律的論證非常嚴格。他創立了對物理理象進行實驗研究并把實驗的方法與數學方法、邏輯論證相結合的科學研究方法。例如,為了說明慣性,他曾設計一個無摩擦的理想實驗:在一定點O懸挂一單擺,将擺球拉到離豎直位置一定距離的左側A點,釋放小球,小球将擺到豎直位置的右側B點,此時A點與B點處于同一高度。若在O的正下方C用釘子改變單擺的運動路線,小球将擺到與A、B兩點同樣高度的D。伽利略指出,對于斜面會得出同樣的結論。他将兩個斜面對接起來,讓小球沿一個斜面從靜止滾下,小球将滾上另一斜面。如果無摩擦,小球将上升到原來的高度。他推論說,如果減小第二個斜面的傾角,小球在這個斜面達到原來的高度就要通過更長的距離。然後使第二個斜面的傾角越來越小,小球将合滾得越來越遠。如果第二個斜面改成水平面,小球就永遠達不到原來的高度,而要沿水平面以恒定持續運動下去。伽利略設計的實驗雖是想象中的,但卻是建立在可靠的事實的基礎上。把研究的事物理想化,就可以更加突出事物的主要特征,化繁為簡,容易于認識其規律。伽利略的這一自然科學新方法,有力地促進物理學的發展,他因此被譽為是“經典物理學的奠基人”。

伽利略1564年生于意大利的比薩城,就在著名的比薩斜塔旁邊。他的父親是個破産貴族。當伽利略來到人世時,他的家庭已經很窮了。17歲那一年,伽利略考進了比薩大學。在大學裡,伽利略不僅努力學習,而且喜歡向老師提出問題。哪怕是人們司空見慣、習以為常的一些現象,他也要打破砂鍋問到底,弄個一清二楚。 眼睛盯着天花闆 有一次,他站在比薩的天主教堂裡,眼睛盯着天花闆,一動也不動。他在幹什麼呢?原來,他用右手按左手的脈搏,看着天花闆上來回搖擺的燈。他發現,這燈的擺動雖然是越來越弱,以至每一次擺動的距離漸漸縮短,但是,每一次搖擺需要的時間卻是一樣的。于是,伽利略做了一個适當長度的擺錘,測量了脈搏的和均勻度。從這裡,他找到了擺的規律。鐘就是根據他發現的這個規律制造出來的。 失學了就努力自學 家庭生活的貧困,使伽利略不得不提前離開大學。失學後,伽利略仍舊在家裡刻苦鑽研數學。由于他的不斷努力,在數學的研究中取得了優異的成績。同時,他還發明了一種比重秤,寫了一篇論文,題目為《固體的重心》。此時,21歲的伽利略已經名聞全國,人們稱他為“當代的阿基米德”。在他25歲那年,比薩大學破例聘他當了數學教授。 伽利略伽利雷舉世聞名的落體實驗 在伽利略之前,古希臘的亞裡士多德認為,物體下落的快慢是不一樣的。它的下落和它的重量成正比,物體越重,下落的越快。比如說,10千克重的物體,下落的要比1千克重的物體快10倍。 1700多年前以來,人們一直把這個違背自然規律的學說當成不可懷疑的真理。年輕的伽利略根據自己的經驗推理,大膽地對亞裡士多德的學說提出了疑問。經過深思熟慮,他決定親自動手做一次實驗。他選擇了比薩斜塔作實驗場。這一天,他帶了兩個大小一樣但重量不等的鐵球,一個重10磅,是實心的;另一個重1磅,是空心的。伽利略站在比薩斜塔上面,望着塔下。塔下面站滿了前來觀看的人,大家議論紛紛。有人諷刺說:“這個小夥子的神經一定是有病了!亞裡士多德的理論不會有錯的!”實驗開始了,伽利略兩手各拿一個鐵球,大聲喊道:“下面的人們,你們看清楚,鐵球就要落下去了。”說完,他把兩手同時張開。人們看到,兩個鐵球平行下落,幾乎同時落到了地面上。所有的人都目瞪口呆了。伽利略的試驗,揭開了落體運動的秘密,推翻了亞裡士多德的學說。這個實驗在物理學的發展史上具有劃時代的重要意義。 制成了第一架望遠鏡 哥白尼是波蘭傑出的天文學家,他經過40年的天文觀測,提出了“日心說”的理論。他認為宇宙的中心是太陽,而不是地球。地球是一個普通的行星,它在自轉的同時還環繞太陽公轉。伽利略很早就相信哥白尼的“日心說”。1608年6月的一天,伽利略找來一段空管子,一頭嵌了一片凸面鏡,另一頭嵌了一片凹面鏡,做成了世界上第一個小天文望遠鏡。實驗證明,它可以把原來的物體放大3倍。伽利略沒有滿足,他進一步改進,又做了一個。他帶着這個望遠鏡跑到海邊,隻見茫茫大海波濤翻滾,看不見一條船。可是,當他拿起望遠鏡往遠處再看時,一條船正從遠處向岸邊駛來。實踐證明,它可以放大8倍。伽利略不斷地改進和制造着,最後,他的望遠鏡可以将原物放大32倍。 證實哥白尼的“日心說” 每天晚上,伽利略都有用自己的望遠鏡觀看月亮。他看到了月亮上的高山、深谷,還有火山的裂痕。後來又開始觀看太空,探索宇宙的奧秘。他發現,銀河是由許多小星星彙集而成的。他還發現,太陽裡面有黑斑,這些黑斑的位置在不斷地變化。因此他斷定,太陽本身也在自轉。伽利略埋頭觀察,以無可辯駁的事實,證明地球在圍着太陽轉,而太陽不過是一個普通的恒星,從而證明了哥白尼學說的正确。1610年,伽利略出版了著名的《星空使者》。人們佩服地說:“哥倫布發現了新大陸,伽利略發現了新宇宙。” 簡介 伽利略是偉大的意大利物理學家和天文學家,科學革命的先驅。曆史上他首先在科學實驗的基礎上融會貫通了數學、物理學和天文學三門知識,擴大、加深并改變了人類對物質運動和宇宙的認識。為了證實和傳播了哥白尼的日心說,伽利略獻出了畢生精力。由此,他晚年受到教會迫害,并被終身監禁。他以系統的實驗和觀察推翻了以亞裡士多德為代表的、純屬思辨的傳統的自然觀,開創了以實驗事實為根據并具有嚴密邏輯體系的近代科學。因此,他被稱為“近代科學之父”。他的工作,為I.牛頓的理論體系的建立奠定了基礎。 早年活動 伽利略1564年2月15日生于比薩,父親芬琴齊奧伽利萊精通音樂理論和聲學,著有《音樂對話》一書。1574年全家遷往佛羅倫薩。伽利略自幼受父親的影響,對音樂、詩歌、繪畫以及機械興趣極濃;也像他父親一樣,不迷信權威。17歲時遵從父命進比薩大學學醫,可是對醫學他感到枯燥無味,而在課外聽世交、著名學者O.裡奇講歐幾裡得幾何學和阿基米德靜力學,感到濃厚興趣。 1583年,伽利略在比薩教堂裡注意到一盞懸燈的擺動,随後用線懸銅球作模拟(單擺)實驗,确證了微小擺動的等時性以及擺長對周期的影響,由此創制出脈搏計用來測量短時間間隔。1585年因家貧退學,擔任家庭教師,但仍奮力自學。1586年,他發明了浮力天平,并寫出論文《小天平》。 1587年他帶着關于固體重心計算法的論文到羅馬大學求見著名數學家和曆法家C.克拉維烏斯教授,大受稱贊和鼓勵。克拉維烏斯回贈他羅馬大學教授P.瓦拉的邏輯學講義與自然哲學講義,這對于他以後的工作大有幫助。 1588年他在佛羅倫薩研究院做了關于A.但丁《神曲》中煉獄圖形構想的學術演講,其文學與數學才華大受人們贊揚。次年發表了關于幾種固體重心計算法的論文,其中包括若幹靜力學新定理。由于有這些成就,當年比薩大學便聘請他任教,講授幾何學與天文學。第二年他發現了擺線。 當時比薩大學教材均為亞裡士多德學派的學者所撰,書中充斥着神學與形而上學的教條。伽利略經常發表辛辣的反對意見,由此受到校内該學派的歧視和排擠。1591年其父病逝,家庭負擔加重,他便決定離開比薩。 帕多瓦時期 1592年伽利略轉到帕多瓦大學任教。帕多瓦屬于威尼斯公國,遠離羅馬,不受教廷直接控制,學術思想比較自由。在此良好氣氛中,他經常參加校内外各種學術文化活動,與具有各種思想觀點的同事論辯。此時他一面吸取前輩如N.F.塔爾塔利亞、G.B.貝内代蒂、 F.科門迪諾等人的數學與力學研究成果,一面經常考察工廠、作坊、礦井和各項軍用民用工程,廣泛結交各行各業的技術員工,幫他們解決技術難題,從中吸取生産技術知識和各種新經驗,并得到啟發。 在此時期,他深入而系統地研究了落體運動、抛射體運動、靜力學、水力學以及一些土木建築和軍事建築等;發現了慣性原理,研制了溫度計和望遠鏡。 1597年,他收到J.開普勒贈閱的《神秘的宇宙》一書,開始相信日心說,承認地球有公轉和自轉兩種運動。但這時他對柏拉圖的圓運動最自然最完善的思想印象太深,以緻對開普勒的行星橢圓軌道理論不感興趣。 1604年天空出現超新星,亮光持續18個月之久。他便趁機在威尼斯作幾次科普演講,宣傳哥白尼學說。由于講得精采動聽,聽衆逐次增多,最後達千餘人。 1609年7月,盛傳一荷蘭眼鏡工人發明了供人玩賞的望遠鏡。他未見到實物,思考竟日後,用風琴管和凸凹透鏡各一片制成一具望遠鏡,倍率為3,後又提高到9。他邀請威尼斯參議員到塔樓頂層用望遠鏡觀看遠景,觀者無不驚喜萬分。參議院随後決定他為帕多瓦大學的終身教授。1610年初,他又将望遠鏡放大率提高到33,用來觀察日月星辰,新發現甚多,如月球表面高低不平,月球與其他行星所發的光都是太陽的反射光,水星有4顆衛星,銀河原是無數發光體的總彙,土星有多變的橢圓外形等等,開辟了天文學的新天地。是年3月,出版了他的《星空信使》一書,震撼全歐。随後又發現金星盈虧與大小變化,這對日心說是一強有力的支持。 伽利略日後回顧在帕多瓦的18年時,認為這是他一生中工作最開展、精神最舒暢的時期。事實上,這也是他一生中學術成就最多的時期。 托斯卡納時期 20年來伽利略在物理學和天文學研究上的豐碩成果,激起了他學術上的更大企求。為了取得充裕時間緻力于科學研究,1610年春,他辭去大學教職,接受托斯卡納公國大公聘請,擔任宮廷首席數學家和哲學家的閑職與比薩大學首席數學教授的榮譽職位。 為了使科學免受教會幹預,伽利略曾多次去羅馬活動。1611年他第二次去羅馬,目的在于赢得宗教、政治與學術界認可他在天文學上的發現。他在羅馬受到包括教皇保羅五世和若幹高級主教在内的上層人物的熱情接待,并被林賽研究院接納為院士。當時耶稣會的神父們承認他的觀測事實,隻是不同意他的解釋。這年5月,在羅馬大學的大會上,幾個高職位的神父公開宣布了伽利略的天文學成就。 同年,他觀察到太陽黑子及其運動,對比黑子的運動規律和圓運動的&

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