自由落体定律由谁发现（自由落体定律是谁提出的）知对知错学物理2017-10-12 09:00:40
人们对自由落体运动的研究早在两千多年前亚里斯多德时代就已经开始研究了，可惜一直到16世纪的伽利略时代才认识清楚。让我们通过课本穿越时空回到16世纪体验一下伽利略是如何研究自由落体运动的，我们从中能学到哪些思想方法？
亚里士多德，前384—前322年，西方的“圣人”，古希腊著名的科学家和哲学家。擅长理论思辨，才华横溢，古代知识的集大成者。恩格斯称他学识最渊博的人。但他犯了一个错误，而且影响了人类两千多年。这是关于落体运动的问题，具体是“轻、重两个物体从同一高度同时下落，哪个先落地？”
实验1 一张纸片和一个粉笔头从同一高度同时下落
实验2 把纸片捏成团，再与粉笔头从同一高度同时下落
结论：几乎同时落地，物体下落的快慢与轻重无关。亚里斯多德的观点：重的物体下落的快。
问题：智慧博学如亚氏者，何以铸成大错，且一错近二千年。为什么会犯错？可怕的是什么？
生：落体运动司空见惯，确实经常发生重的物体下落的快，苹果和树叶下落，苹果落的快；纸片和粉笔头同时下落，粉笔头下落的快。圣人也有弱点，他擅长理论思辨，从没有做过一个实验。可怕的是盲从圣贤，不敢怀疑，禁锢人的思想。
展示幻灯片：
我们时刻不能丢掉一颗怀疑的心，很可能在某些新的情况下，我们习以为常的规律会出问题。
不要盲从权威，要敢于怀疑，勇于解放思想。
问题1.伽利略在青年时期非常信仰亚里士多德，他在什么情况下对亚里斯多德关于“重的物体下落的快”的观点产生怀疑？
答：大家知道伽利略在教堂观察吊灯的故事吧，他喜欢观察和思考，用脉搏测出吊灯摆动一次时间不变的。回去后又做了好多次实验，发现摆动一次的时间与物体的轻重无关。这时候他对亚里斯多德关于“重的物体下落的快”的观点产生怀疑。
问题2.他提出了一个两难推理，是什么？为了解决这个两难推理，他提出了一种什么观点？
答：用绳子把两块石头连在一起，由于总体重量大于任一石头，按亚里士多德的观点，其下落速度应大于任一石头单独下落的速度；另一方面，用绳子连在一起的两块石头毕竟仍是分开运动的，大石头运动得快，小石头运动得慢，大石头必然会被小石头“拖后腿”，使总体的运动速度小于大石头单独运动的速度。
用同一观点分析同一问题却得到完全矛盾的两个结论，说明亚里士多德的观点是错误的。
为了摆脱这种困境，伽利略认为只有一种可能性：重物与轻物应该下落的同样快。
问题1.伽利略为了研究清楚自由落体运动的规律，准备用实验的方法研究。首先碰到的困难是什么？怎么解决？
答：当时没有描述运动所需的概念，他首先建立起了速度、加速度等概念，这是伽利略对物理学的贡献之一。
展示幻灯片：
自然界是简单的，一切运动都是以最简单的秩序运行。
——伽利略
问题2.这是伽利略的信念，所以他猜想自由落体运动也一定是最简单的变速运动，而最简单的变速运动应该是怎样变化？
答：速度均匀变化。他考虑了两种可能。一种是速度随时间均匀变化，一种是速度随位移均匀变化。
展示幻灯片：
伽利略比他的前人更伟大，就在于他首先采用了以实验检验猜想和假设的科学方法。在他之前，学者们总是通过思辨性的论战来决定谁是谁非。
爱因斯坦：提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题有时仅仅是一个数学上或实验上的技巧，而提出新问题、新的可能性，从新的角度看问题，却需要创造性的想象力，而且标志着科学上的真正进步。
师：所以有人说猜想、提出问题是科学探究中最活跃的因素，它需要创造性的想象力。我的观点是遇到问题你应该高兴，这是你增长能力的大好机会，但一定要具体描述清楚你的问题。有的同学做的很好，作业本上经常谈一下自己的看法，然后让老师帮忙分析。
问题1.伽利略如何排除其中一种可能的？你能用数学图像加以解释吗？
答：做V—X图像，是一条过原点的直线，斜率的意义是时间的倒数。斜率恒定，可时间是变化的，所以速度与位移不成正比。
问题2.伽利略需要想办法证明速度与时间成正比。需要测量速度和时间。如何解决测速度的问题？如何测时间？
答：速度不好测，但位移容易测量。怎样就转化成测位移？从速度时间图像看出，X正比于时间的平方。这样就转化为测位移X。测时间在当时用的是滴水计时法，铜壶滴漏。
问题3.伽利略如何解决测时间的问题？
答：由于伽利略时代的实验仪器不能精确测量快速下落所需的时间，所以他设想通过斜面落体来“冲淡重力”，并通过延伸斜面和控制斜面倾角来控制物体运动的速度和所经历的时间。经过多次实验发现，虽然不断改变斜面的倾斜度，但得到的结果有共同点：小球经过的距离的比值等于经过这些距离对应所用时间间隔的平方之比。
展示幻灯片：转化是解决问题的重要策略。
问题4.斜面实验并不是自由落体运动，能说明自由落体运动的规律吗？伽利略是如何做的？
答：小球沿斜面向下的运动并不是落体运动。但是伽利略将上述结果进行合理外推，当倾角增大到９０度时，实验结论仍应成立，此即竖直落体运动。至此，伽利略就完成了对自由落体运动的研究。）
展示幻灯片：
有梦想，谁都了不起；有勇气，才会有奇迹。
“科学实验+合理的推理”是一种科学的思想方法。爱因斯坦说“伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法，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。”
问题5.伽利略的逻辑和实验自然使人钦佩，但人们又会疑惑地问道：为什么生活中经常出现较重的物体下落的快的现象？
答：空气阻力的作用。如果完全排除空气阻力，那么，所有物体将下落的同样快。1969年人类首次登月成功。在一次登月活动中，宇航员R.Scort在月球上做了落体实验，证实了榔头和羽毛下落一样快。）
展示幻灯片：
在科学研究中，懂得忽略什么，有时与懂得重视什么同等重要。
师：生活中何尝不是如此？有舍才有得。舍去浮躁，得到稳重；舍去辛勤的汗水，得到成功的喜悦。