伽利略的两个实验研究，本文主要内容关键词为：伽利略论文,实验研究论文,两个论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
物理学的一些实验，在今天，我们做起来已经不觉得有什么困难，甚至变得很容易了。但在开始，科学家想出并做成功这个实验，是非常不容易的，这类实验就叫做创新实验。科学家的每一个创新实验的成功，几乎都要对当时的科学技术和生产的发展产生巨大的推动。伽利略是意大利著名物理学家和天文学家，他早在400 多年前就细致研究并成功地完成了两个重要的物理实验——“单摆和温度的测量”。他思考问题的方法，科学研究的态度，至今仍值得我们借鉴。
一、单摆实验研究
现在日常用的机械钟表是利用摆锤的摆动而确定时间的，但是400多年前人们还不知道摆锤来回摆动能确定时间，那时只能用滴漏来计时，很不方便。
摆动是一种普遍存在的自然现象。例如用绳子吊着的一只篮子，风一吹，摇来晃去，就是一个摆，但是这种很普遍的现象，很久以来却没有引起注意。伽利略以科学家的敏锐目光抓住这个看来很普遍的现象进行了认真的分析、研究，井找出了规律。
1564年2月15日，伽利略诞生在意大利的比萨城， 家就在比萨斜塔的近旁。伽利略从小勤学好动、领悟力强，在少年时代就学会了拉丁文、希腊文、音乐等知识。伽利略17岁时去比萨大学学医。当医生在那时虽然是一个高尚而又能赚钱的职业，但是伽利略的兴趣却在物理学和数学方面。
在伽利略18岁时，有一天他到比萨的教堂里去做礼拜，无意中，他瞧见一盏挂在屋顶的铜灯在摆动着。这个现象多少人都看到过，但从没有一个人会象他那样凝视得出神。他发现吊灯摆动的距离虽然慢慢地在变小，但其往返所需的时间却并不感到相应减小。当时他很奇怪，觉得其中有规律可找。但在那个年代还没有正确的计时装置，好在他是一位学医的人，他就以自己的脉博跳动次数，来测算吊灯往返一次所需时间是否相同。他多次在吊灯摆动起来时，用脉搏测算，发现尽管每次摆动越来越小，但每次摆动持续的时间却准确地相同，回家后，他用一块石头系在绳子的一端重复了这个实验，发现同样的结果。在这基础上经过进一步的实验，终于发现了单摆的摆动规律——“单摆的等时性定律”。
后来，伽利略就根据摆的这一规律，做成了一个可用来帮助断定病人患病情况的脉搏仪。所谓“脉搏仪”，其实很简单，它是用一根适当长度的细线，下面挂一个小球作为摆锤，使其摆动起来。由于对应某一定值的摆长，有某一确定的摆动频率，若摆长取17.25cm，则1分钟内刚好摆动72次，这跟正常人的脉搏跳动快慢相一致。如果病人脉搏跳动过速或过慢，就要相应地收短或放长摆线，由此断定病人的患病情况。“脉搏仪”当时在医疗界很为流行，并且是现代白衣护士一面摸着病人的手一面看着自己的精巧的手表来数脉搏的先驱。
1659年荷兰物理学家、数学家惠更斯也研究了单摆并得出了单摆振动的周期公式T＝2π
，式中T是单摆周期，L是摆长，G是重力加速度。
由于伽利略发现了单摆的等时性，惠更斯又研究并得出了单摆周期跟摆长的关系，人们就有可能制造出有摆的时钟来。1673年惠更斯创造了世界上第一个带摆的时钟。
二、温度测量实验研究
温度对于人类的生产和生活都是十分重要的，很早以前，人们要判断物体的冷和热，唯一的办法只能靠人的感觉，但是这种方法很不可靠。例如在三个容器中分别装上冷水、温水、热水，比较一下浸在冷水中的手放进温水中的感觉和浸在热水中的手放进温水中的感觉：人们发现，虽然是同样的温水，但两手的感觉截然不同，这种错误的感觉是人为的。这给判断物体的冷和热带来了困难。而现在人们却可以使用各种温度的测量工具来满足不同的需要，最早研究温度测量问题的是伟大的科学家伽利略。
1592年，伽利略制成了第一个温度计（如图1所示）。 这是一个底部为球泡状的玻璃管，开始时用双手握住玻璃泡，使管内的空气受热膨胀，然后把玻璃管口倒插入水中，放开双手，管内空气变冷收缩，水就被吸入管内。随着周围温度的变化，管内的水位也会随之而上下移动，如在玻璃管上刻上相应的标度就可以在小范围内反映待测物的温度。伽利略用它测试了许多学生的体温，发现了人体的正常体温是相同的这一规律。这种温度计简单而又灵敏，室温一有变化马上会显现出管内水位的变化，从而在标度上读出相应的数值，这种测量温度的方法在当时是一个重大突破。可惜的是，由于水面是暴露在大气里的，而大气压是经常变化的，这样就严重影响了温度的准确测量。
受伽利略实验的启迪，1635年，图斯坎纳（意大利中西部地名）的一位对科学感兴趣的公爵费迪南德发明了一种不受气压影响的液体温度计（如图2所示）。它是在一个玻璃球泡上连接一根细管，球泡里盛着水。这种温度计近似于现在我们使用的普通温度计。当温度改变时，由于水本身的热胀冷缩引起细管内水位的变化，如果球泡很大，管子很细的话，它的灵敏度将是很好的。但是这种温度计也有缺点，因为低温时水会结冰，造成玻璃球泡破裂。如改用酒精，又极易挥发、沸腾。前者不能测低温，后者不能测高温，如何改进呢？法国物理学家阿猛顿解决了这个问题。他用水银代替水，制成了水银温度计。水银的比热小、体胀系数大，不用着色，容易观察，是制造温度计的理想液体。但是这种温度计管口敞开，水银蒸发有毒，同时它携带时不能翻倒，很不方便，这就严重影响了它的应用和推广。
1714年，荷兰物理学家华伦海特将费迪南德与阿猛顿设计的温度计的优点结合起来。他把水银加热，使其液面上升到管子的顶部，然后封闭玻璃管，冷却后液面下降，玻璃管上部呈现真空。在玻璃管上刻上相应的刻度，水银温度计就趋向成型、完善的阶段了（如图3所示）。 华伦海特制定华氏温标时，将融化冰和盐的混合温度规定为0度， 将冰水混合的温度定为32度，水的沸点定为212度。
1742年，瑞典科学家摄耳修斯制定了摄氏温标， 将水的冰点定为0度，将水的沸点定为100度，由于将水的液态温度范围分为一百等分， 所以又称这种温度为“百分温标”。
十九世纪六十年代初，英国医生阿尔伯特发明了“体温计”。它的细管部分有段非常细的缩口（如图4所示）。 测体温时水银膨胀通过缩口升到上面玻璃管里，读数时体温计离开人体，水银变冷收缩，就在缩口处断开，使上面的水银退不回来，所以体温计离开人体后还能表示人体的温度。至此，温度计的发明已达到现今的完善程度，能基本满足现代人类生活和生产的需要。而这一系列的发明完善过程全部起源于著名学考伽利略的创新物理实验。
综观人类的科技发展史，类似情况远不止上述两例，物理教材中的全部实验，现在在实验室里完成，全都变得很容易，但是，科学家在首创这些实验的时候，其中包容着的思维和设计，无一不具备创新性质。所以我们在教学的时候，不能仅满足于教学生学会和掌握方法过程，更应探索其中的创新思维规律。只有这样，才能通过学习前代科学巨人成果的途径，逐步完成站到巨人肩膀上的历史使命，这也是创新时代对创新教育提出的必需要求。