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告訴伽利略科學貢獻
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時間 :2018-09-20
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確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。接著在1585年因家庭經濟困難輟學。離開比薩大學期間,他深入研究古希臘學者歐幾里得、阿基米德等人的著作。他根據槓桿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並給出準確的數學表達式,因此聲名大振。與此同時,他對亞里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
伽利略伽利略
了細緻的觀察.從實驗和理論上否定了統治千餘年的亞里士多德關於“落體運動法則”確立了正確的“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,下落的速度與重量無關.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,伽利略將一個重10磅,一個重1磅的鐵球同時拋下,幾乎同時落地,在場的競爭者個個目瞪口呆,在大笑中聳聳肩走了.但在伽利略的著作中並未明確說明實驗是在比薩斜塔上進行的.因此近年來對此存在爭議..
伽利略對運動基本概念,包括重心、速度、加速度等都作了詳盡研究並給出了嚴格的數學表達式。尤其是加速度概念的提出,在力學史上是一個里程碑。有了加速度的概念,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,只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,拋射體運動規律,並確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《關於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,還有不少關於材料力學的內容.例如,他闡述了關於樑的彎曲試驗和理論分析,正確地斷定樑的抗彎能力和幾何尺寸的力學相似關係.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,正確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於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,軀體的強度並不按比例減小.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.”.
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、木星的盈虧現像以及銀河由無數恆星組成等。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里士多德和托勒密的“天動說”。
哲學
他一生堅持與唯心論和教會的經院哲學作鬥爭,主張用具體的實驗來認識自然規律,認為實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。但由於歷史的局限性,他強調只有可歸納為數量特徵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為科學的真理而犧牲,但卻可以為科學繼續貢獻自己的力量。
熱學
最早的溫度計是在1593年由意大利科學家伽利略(1564~1642)發明的.他的第一隻溫度計是一根一端敞口的玻璃管,另一端帶有核桃大的玻璃泡.使用時先給玻璃泡加熱,然後把玻璃管插入水中.隨著溫度的變化,玻璃管中的水面就會上下移動,根據移動的多少就可以判定溫度的變化和溫度的高低.溫度計有熱脹冷縮的作用所以這種溫度計,受外界大氣壓強等環境因素的影響較大,所以測量誤差較大.後來伽利略的學生和其他科學家,在這個基礎上反復改進,如把玻璃管倒過來,把液體放在管內,把玻璃管封閉等..
相對性原理
在發現慣性定律的基礎上,伽利略提出了相對性原理:力學規律在所有慣性坐標系中是等價的.力學過程對於靜止的慣性系和運動的慣性係是完全相同的.可以換句話說,在一系統內部所作任何力學的實驗都不能夠決定一慣性系統是在靜止狀態還是在作等速直線運動.伽利略在《對話》中寫道:當你在密閉的運動著的船艙裡觀察力學過程時,“只要運動是勻速的,決不忽左忽右擺動,你將發現,所有上述現象絲毫沒有變化,你也無法從其中任何一個現象來確定,船是在運動還是停著不動.即使船運動得相當快,在跳躍時,你將和以前一樣,在船底板上跳過相同的距離,你跳向船尾也不會比跳向船頭來得遠,雖然你跳到空中時,腳下的船底板向著你跳的相反方向移動..
你把不論什麼東西扔給你的同伴時,不論他是在船頭還是在船尾,只要你自己站在對面,你也並不需要用更多的力.水滴將像先前一樣,垂直滴進下面的罐子,一滴也不會滴向船尾,雖然水滴在空中時,船已行使了許多拃.魚在水中游向水碗前部所用的力,不比游向水碗後部來得大;它們一樣悠閒地游向放在水碗邊緣任何地方的食餌.最後,蝴蝶和蒼蠅將繼續隨便地到處飛行,它們也決不會向船尾集中,並不因為它們可能長時間留在空中,脫離了船的運動,為趕上船的運動顯出累的樣子.如果點香冒煙,則將看到煙像一朵雲一樣向上升起,不向任何一邊移動..
所有這些一致的現象,其原因在於船的運動是船上一切事物所共有的,也是空氣所共有的。 ”相對性原理是伽利略為了答复地心說對哥白尼體系的責難而提出的。這個原理的意義遠不止此,它第一次提出慣性參照系的概念,這一原理被愛因斯坦稱為伽利略相對性原理,是狹義相對論的先導。
發明望遠鏡
伽利略在帕多瓦大學工作的18年間,最初把主要精力放在他一直感興趣的力學研究方面,他發現了物理上重要的現象——物體運動的慣性;做過有名的斜面實踐,總結了物體下落的距離與所經過的時間之間的數量關係;他還研究了砲彈的運動,奠定了拋物線理論的基礎;關於加速度這個概念,也是他第一個明確提出的:甚至為了測量病人發燒時體溫的升高,這位著名的物理學家還在1593年發明了第一支空氣溫度計……但是,一個偶然的事件,使伽利略改變了研究方向.他從力學和物理學的研究轉向廣漠無垠的茫茫太空了..
那是1609年6月,伽利略聽到一個消息,說是荷蘭有個眼鏡商人利帕希在一偶爾的發現中,用一種鏡片看見了遠處肉眼看不見的東西。 “這難道不正是我需要的千里眼嗎?”伽利略非常高興。不久,伽利略的一個學生從巴黎來信,進一步證實這個消息的準確性,信中說儘管不知道利帕希是怎樣做的,但是這個眼鏡商人肯定是製造了一個鏡管,用它可以使物體放大許多倍。
“鏡管!”伽利略把來信翻來覆去看了好幾遍,急忙跑進他的實驗室。他找來紙和鵝管筆,開始畫出一張又一張透鏡成像的示意圖。伽利略由鏡管這個提示受到啟發,看來鏡管能夠放大物體的秘密在於選擇怎樣的透鏡,特別是凸透鏡和凹透鏡如何搭配。他找來有關透鏡的資料,不停地進行計算,忘記了暮色爬上窗戶,也忘記了曙光是怎樣射進房間。
整整一個通宵,伽利略終於明白,把凸透鏡和凹透鏡放在一個適當的距離,就像那個荷蘭人看見的那樣,遙遠的肉眼看不見的物體經過放大也能看清了。
伽利略非常高興。他顧不上休息,立即動手磨製鏡片,這是一項很費時間又需要細心的活兒。他一連乾了好幾天,磨製出一對對凸透鏡和凹透鏡,然後又製作了一個精巧的可以滑動的雙層金屬管。現在,該試驗一下他的發明了。
伽利略小心翼翼地把一片大一點的凸透鏡安在管子的一端,另一端安上一片小一點的凹透鏡,然後把管子對著窗外。當他從凹透鏡的一端望去時,奇蹟出現了,那遠處的教堂彷彿近在眼前,可以清晰地看見鍾樓上的十字架,甚至連一隻在十字架上落腳的鴿子也看得非常逼真。
伽利略製成望遠鏡的消息馬上傳開了。 “我製成望遠鏡的消息傳到威尼斯”,在一封寫給妹夫的信裡,伽利略寫道:“一星期之後,就命我把望遠鏡呈獻給議長和議員們觀看,他們感到非常驚奇。紳士和議員們,雖然年紀很大了,但都按次序登上威尼斯的最高鐘樓,眺望遠在港外的船隻,看得都很清楚;如果沒有我的望遠鏡,就是眺望兩個小時,也看不見。這儀器的效用可使50英里的以外的物體,看起來就像在5英里以內那樣。”
伽利略發明的望遠鏡,經過不斷改進,放大率提高到30倍以上,能把實物放大1000倍。現在,他猶如有了千里眼,可以窺探宇宙的秘密了。
這是天文學研究中具有劃時代意義的一次革命,幾千年來天文學家單靠肉眼觀察日月星辰的時代結束了,代之而起的是光學望遠鏡,有了這種有力的武器,近代天文學的大門被打開了。
現在,每當星光燦爛或是皓月當空的夜晚,伽利略便把他的望遠鏡瞄準深邃遙遠的蒼穹,不顧疲勞和寒冷,夜復一夜地觀察著。
過去,人們一直以為月亮是個光滑的天體,像太陽一樣自身發光。但是伽利略透過望遠鏡發現,月亮和我們生存的地球一樣,有高峻的山脈,也有低凹的窪地 (當時伽利略稱它是“海”)。他還從月亮上亮的和暗的部分的移動,發現了月亮自身並不能發光,月亮的光是透過太陽得來的。
伽利略又把望遠鏡對準橫貫天穹的銀河,以前人們一直認為銀河是地球上的水蒸汽凝成的白霧,亞里士多德就是這樣認為的。伽利略決定用望遠鏡檢驗這一說法是否正確。他用望遠鏡對準夜空中霧濛濛的光帶,不禁大吃一驚,原來那根本不是雲霧,而是千千萬萬顆星星聚集一起。伽利略還觀察了天空中的斑斑雲彩——即通常所說的星團,發現星團也是很多星體聚集一起,像獵戶座星團、金牛座的昂星團、蜂巢星團都是如此。
伽利略的望遠鏡揭開了一個又一個宇宙的秘密,他發現了木星周圍環繞著它運動的衛星,還計算了它們的運行週期。現在我們知道,木星共有 16顆衛星,伽利略所發現的是其中最大的四顆。除此之外,伽利略還用望遠鏡觀察到太陽的黑子,他通過黑子的移動現象推斷,太陽也是在轉動的。
一個又一個振奮人心的發現,促使伽利略動筆寫一本最新的天文學發現的書,他要向全世界公佈他的觀測結果。 1610年3月,伽利略的著作《星際使者》在威尼斯出版,立即在歐洲引起轟動。
但是,他沒有想到,望遠鏡揭開的宇宙的秘密大大觸怒了很多人,一場可怕的厄運即將降臨在這位傑出的科學家的頭上。
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