伽利略与牛顿对物理学的贡献

-1-伽利略与牛顿对物理学的贡献[摘要]本文分别介绍了伽利略和牛顿的生平、对物理学的贡献，贡献不仅是物理理论方面的成果，还包括他们对科学孜孜不倦的探索精神和高瞻远瞩的科学目光.最后阐述了他们创立的经典物理学所存在的局限性.[关键词]伽利略；牛顿；物理学；贡献一绪论（一）伽利略生平伽利略（1564～1642）生于意大利北部佛罗伦萨一个贵族的家庭。他在科学上的创造才能，在青年时代就显示出来了。当他还是比萨大学医科学生时，就发明了能测量脉博速率的摆式计时装置。后来，他的兴趣转向了数学和物理学，26岁就担任了比萨大学的数学教授。由于他在科学上的独创精神，不久就跟拥护亚里士多德传统观点的人们发生了冲突，遭到对手们的排挤，不得不在1591年辞去比萨大学的职务，转而到威尼斯的帕多瓦大学任教。在帕多瓦，伽利略开始研究天文学，成为哥白尼的日心说的热烈支持者。他制造了望远镜，观测到木星的四颗卫星，证明了地球并不是一切天体运动环绕的中心。用望远镜进行观测，他发现了月面的凹凸不平以及乳带似的银河原来是由许许多多独立的恒星组成的。他还制成了空气温度计，这是世界上最早的温度计。这些辉煌的成就，使他获得了巨大的声望。1610年，伽利略接受了图斯卡尼大公爵的邀请，回到他的故乡，担当了大公爵的宫廷数学家兼哲学家。伽利略这样做的目的是希望大公爵对他的科学研究给予资助。但是不久，他就受到教会的迫害。由于他勇敢的宣传哥白尼的学说，1616年，被传唤到罗马的宗教裁判所。宗教裁判所谴责了哥白尼的学说，并责令伽利略保持沉默。1632年，伽利略发表《两种世界观的对话》一书，被教会认为违反了1616年的禁令。伽利略被召到罗马囚禁了几个月，受到缺席审判，遭到苦刑和恐吓，并被迫当众跪着表示“公开放弃、诅咒和痛恨地动学说的错误和异端”，最后被判处终身监禁，他的书也被列为禁书。1632年以后，伽利略专心致志于力学的研究，并于1638年完成了《两种新科学的对话》。由于教会的禁令，这部书无法在意大利出版，只能在荷兰秘密刊行。这部书是伽利略最伟大和最重要的著作。伽利略首先研究了惯性运动和落体运动的规律，为牛顿第一定律和第二定律的研究铺平了道路。他坚持“自然科学书籍要用数学来写”的观点，倡导实验和理论计算相结合，用实验检验理论的推导。这种研究方法对以后的科学研究工作具有重大的指导意义。（二）牛顿生平牛顿出生于英国北部林肯郡的一个农民家庭。1661年考上剑桥大学特里尼蒂学校，1665年毕业，这时正赶上鼠疫，牛顿回家避疫两年，期间几乎考虑了他一生中所研究的各个方面，特别是他一生中的几个重要贡献：万有引力定律、经典力学、微积分和光学。牛顿的研究领域非常广泛，他除了在数学、光学、力学等方面做出卓越贡献外，他还花费大量精力进行化学实验。他常常留在实验室里，不分昼夜的工作。他在化学上花费的时间并不少，却几乎没有取得什么显著的成就。为什么同样一个伟大的牛顿，在不同的领域取得的成就竟那么不一样呢？其中一个原因就是各个学科处在不同的发展阶段。在力学和天文学方面，有伽利略、开-2-普勒、胡克、惠更斯等人的努力，牛顿可能用已经准备好的材料，建立起一座宏伟壮丽的力学大厦。正像他自己所说的那样“如果说我看得远，那是因为我站在巨人的肩上”。而在化学方面，因为正确的道路还没有开辟出来，牛顿没法走到可以砍伐材料的地方。二伽利略的贡献（一）科学地描述了运动伽利略是第一个把实验引进力学的科学家，他利用实验和数学相结合的方法确定了一些重要的力学定律。1582年前后，他经过长久的实验观察和数学推算，得到了摆的等时性定律。伽利略根据杠杆原理和浮力原理写出了第一篇题为《天平》的论文。不久又写了论文《论重力》，第一次揭示了重力和重心的实质并给出准确的数学表达式，因此声名大振。与此同时，他对亚里士多德的许多观点提出质疑。----在1589～1591年间，伽利略对落体运动作了细致的考察。从实验和理论上否定了统治千余年的亚里士多德关于“落体运动法则”确立了正确的“自由落体定律”，即在忽略空气阻力条件下，重量不同的球在下落时同时落地，下落的速度与重量无关。伽利略对运动基本概念，包括重心、速度、加速度等都作了详尽研究并给出了严格的数学表达式。尤其是加速度概念的提出，在力学史上是一个里程碑。有了加速度的概念，力学中的动力学部分才能建立，而在伽利略之前，只有静力学部分有定量的描述。伽利略曾非正式地提出过惯性定律（见牛顿运动定律）和外力作用下物体的运动规律，这为牛顿正式提出运动第一、第二定律奠定了基础。在经典力学的创立上，伽利略可说是牛顿的先驱。伽利略同时代的法国科学家笛卡儿补充和完善了伽利略的观点，明确指出：除非物体受到外力的作用，物体将永远保持其静止或运动状态。永远不会使自己沿曲线运动，面只保持在直线上运动。他还认为，这应该作为一个原理加以确立，并且是人类整个自然观的基础。伽利略对物体不受外力时的运动作了准确的描述，但他并没有明确指出运动和力之间的关系是什么。而笛卡儿在伽利略的基础上更近了一步，更为接近真理。牛顿在前人工作的基础上，根据自己的研究，系统地总结了力和运动的关系，于1687年发表了他的著作——《自然哲学的数学原理》，提出了三条运动定律，奠定了经典力学的基础。（二）落体运动的研究1638年伽利略发表了《关于两门新科学的对话》一书，书中伽利略公布了他的两项重要发现，其中之一是他的自由落体定律。在这个问题上，伽利略推翻了他那个时代几乎所有人都认为落体速度与其重量成正比的错误观点。伽利略认为，自亚氏以来人们借助于“四因说”来解释物体的运动，是导致没有意义结果的重要原因。人们应该改变观念，转换视角，从研究“为什么”转变为“怎么样”。为实现这一转变，伽利略转向了对运动现象的数学描述。他把运动物体看作质点，排除了形状对运动的影响。他不考虑空气的作用，在纯化了的条件下凸显出落体运动的主要特征他定义了匀速运动，并重点观察了落体运动的下落方式，考察了运动变化的性质。他发现落体在重力的持久作用下，速度并不均匀，而是有规则的变化，这种规则性表现出一种规律，那就是在相等的时间间隔内速度的增量保持不变。我们用符号形式反映出来，就是。伽利略把这种运动又定义为匀加速运动。可见，在伽利略看来，匀速直线运动与匀加速直线运动是两种不同的运动状态，匀速直线运动可以不受力的作用，但自由落体是在重力的持续作用下，才会匀加速下落的。因此，伽利略揭示出:力是改变物体运动状态的原因。在确定了时间和速度的正比关系后，伽利略用几何方法证明了自由落体运动的路程和时-3-间的关系，路程为：221ats按照伽利略的观点，一切物体下落的速度与其重量无关，在真空中都以同样的加速度下落。1惯性思想的提出伽利略认为，亚氏的许多命题都是错的。首先，地球不是静止的，而是运动的，那么在运动的地球上如何解释上面的现象呢？伽利略认为：同地球保持一致是这个球作为地球上的物体无法摆脱且不可分离地参与了的基本的、永恒的运动，物体凭借本性具有这种运动并且将永远拥有这种运动。当球从塔上下落到地球上时，由于没有原因促使球自西向东运动停止，所以它与塔保持一致。伽利略还通过图1的理想实验进一步表达了他的思想。把一个小球放在具有一定高度的光滑斜面AB上，这个小球必然自发地沿着斜面加速地滚下来，到达B点小球获得一定的速度，这个速度可使小球沿着光滑斜面BC减速地上升到同样高度。图1理想实验如若把BC面变成光滑的、无限长的水平面，由于小球在B点获得的速度既不能增加也不能减少，小球就会以这个速度一直运动下去。这种在亚氏学派看来，不可能存在的运动形式被伽利略揭示出来:一个不受力的物体也会运动。事实证明，力不是维持物体运动状态的原因，运动是物体的固有属性。伽利略没有使用“惯性”这个词，但他已表达出惯性的思想。遗憾的是，伽利略遵循旧传统认为物体这种基本的、永恒的运动是匀速圆周运动，但对无限大的地球局部来说，圆周曲线运动等同于直线运动。2抛体运动的研究有了惯性运动思想和自由落体运动的性质，伽利略扩大了他的研究范围，开始讨论抛体运动。伽利略认为抛体的运动具有匀速运动和自然加速运动的复合运动的性质。他在其著作《关于两门新科学的对话》中谈到:“设想任意一个质点沿水平面无摩擦地投掷；如果这个平面是无限的，这个质点将沿平面作均匀的和永恒的运动。如果这个平面是有限的或被提高了的，则运动质点(我们想象它有重量)就将穿过平面的边界，在它原先所作的匀速的、永恒的运动外，由于自身的重量而获得一个向下运动的倾向，以至于所产生称之为抛射的运动是一种水平匀速运动和另一垂直自然加速运动的复合。”并证明了“由一个水平匀速运动与一个垂直自然加速运动复合而成的抛射运动描绘的路径是一条半抛线。”伽利略就这样用新观念解决了多少世纪遗留下来的抛物体的曲线问题。把抛体运动看作是水平的匀速运动和竖直向下的自然加速运动的合成后，伽利略认为，抛体运动的速度也应该具有复合性质，它应该是两个分速度合成的总效应。于是他又用几何方法证明了以下命题：当一个物体的运动是由水平的匀速运动和垂直方向的自然加速运动合成时，则合速度的平方等于两个分速度的平方之和。这是伽利略的又一重大发现，伽利略把运动同物体的本质属性分离开来，通过对抛体速度的讨论，不仅改变了自亚氏以来人们思想中固有的错误观念，而且揭示出自然界运动所遵循的简单性法则——运动的独立性和叠加性。由于运动的独立性，所以运动与运动不会相互影响。这样一来，一个物体可以同时具有几个运动，合运动的结果遵从纯粹的几何学法则。相反，每一种运动也可以遵从相同的规则分解为若干个分运动。伽利略的工作并没有到此为止，他又通过物体的平抛运动，深入到大炮发出的抛射体，那是一条抛物线。他把沿各种不同倾角发出的抛射体的轨迹的射程(幅度)和高度——计-4-算出来，并制成精细的表格，计算结果证明，对于一定的初速度，当时，射程最大。并揭示出，若初速度不变，仰角比45度增大或减少一个相等角度的抛体，其射程相等。3提出相对性原理在发现惯性定律的基础上，伽利略提出了相对性原理：力学规律在所有惯性坐标系中是等价的。力学过程对于静止的惯性系和运动的惯性系是完全相同的。换句话说，在一系统内部所作任何力学的实验都不能够决定一惯性系统是在静止状态还是在作等速直线运动。伽利略在《对话》中写道：当你在密闭的运动着的船舱里观察力学过程时，“只要运动是匀速的，决不忽左忽右摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化，你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。即使船运动得相当快，在跳跃时，你将和以前一样，在船底板上跳过相同的距离，你跳向船尾也不会比跳向船头来得远，虽然你跳到空中时，脚下的船底板向着你跳的相反方向移动。你把不论什么东西扔给你的同伴时，不论他是在船头还是在船尾，只要你自己站在对面，你也并不需要用更多的力。如果点香冒烟，则将看到烟像一朵云一样向上升起，不向任何一边移动。这些一致的现象，其原因在于船的运动是船上一切事物所共有的，也是空气所共有的。”相对性原理是伽利略为了答复地心说对哥白尼体系的责难而提出的。这个原理的意义远不止此，它第一次提出惯性参照系的概念，这一原理被爱因斯坦称为伽利略相对性原理，是狭义相对论的先导。3.1首创科学的研究方法伽利略设计的实验虽是想象中的，但却是建立在可靠的事实的基础上。把研究的事物理想化，就可以更加突出事物的主要特征，化繁为简，易于认识其规律。伽利略关于运动理论的研究工作，采用了一个对近代科学的发展很有效的程序，即对现象的一般观察→提出工作假设→运用数学和逻辑的手段得出特殊推论→通过物理实验对推论进行检验→对假设进行修正和推广，等等。3.2对天文学的贡献在天文学方面，伽利略的贡献是极其巨大的。在早年他曾给学生们开设天文学课程，讲解托勒密的行星理论。但是，他最根本的宇宙观核心是维护和坚持发展哥白尼学说。伽利略的日心说观点完全建立在对天文进行长期观测所获得的大量新发现的可靠事实基础之上。1608年，荷兰眼镜工匠李普塞制成了世界上第一架望远镜。伽利略得知后，立即着手从事望远镜的设计和制作，经过多次实验，终于在1609年到1610年间设计并制造了放