摆的研究论文

原地跳是在定住车时，把前轮拉起，身体往下压，这时候重量大部分在后胎上面，然后手把身体往上拉，收脚，不要担心脚踏会飞，因为你在身体下压的过程中轮胎已经产生弹性形变，收脚的时候后轮会像弹簧一样弹出附在你脚上，这时身体已经在上移，车子随之也跳了起来。动作很简单，多多练习就会熟练

克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens，1629年04月14日—1695年07月08日)荷兰物理学家、天文学家、数学家、他是介于伽利略与牛顿之间一位重要的物理学先驱,是历史上最著名的物理学家之一，他对力学的发展和光学的研究都有杰出的贡献，在数学和天文学方面也有卓越的成就，是近代自然科学的一位重要开拓者。他建立向心力定律，提出动量守恒原理，改进了计时器。他于1629年4月14 日出生于海牙。父亲是大臣和诗人，与R.笛卡儿等学界名流交往甚密。惠更斯自幼聪慧，13岁时曾自制一台车床，表现出很强的动手能力。1645～1647年在莱顿大学 学习法律与数学，1647～1649年转入布雷达学院深造。 在阿基米德等人著作及笛卡儿等人直接影响下，致力于 力学、光学、天文学及数学的研究。他善于把科学实践和理论研究结合起来，透彻地解决问题，因此在摆钟的 发明、天文仪器的设计、弹性体碰撞和光的波动理论等 方面都有突出成就。1663年他被聘为英国皇家学会第一 个外国会员，1666年刚成立的法国皇家科学院选 他为院士。惠更斯体弱多病，一心致力于科学事业，终生未婚。 1695年7月8日在海牙逝世。【所获成就】■总括惠更斯处于富裕宽松的家庭和社会条件中，没受过宗教迫害的干扰，能比较自由地发挥自己的才能．他善于把科学实践与理论研究结合起来，透彻地解决某些重要问题，形成了理论与实验结合的工作方法与明确的物理思想，他留给人们的科学论文与著作68种，《全集》有22卷，在碰撞、钟摆、离心力和光的波动说、光学仪器等多方面作出了贡献．■数学方面惠更斯曾首先集中精力研究数学问题，惠更斯在数学上有出众的天才，早在22岁时就发表过关于计算圆周长、椭圆弧及双曲线的著作。他对各种平面曲线，如悬链线(他发现悬链线既摆线与抛物线的区别)、曳物线、对数螺线等都进行过研究，还在概率论和微积分方面有所成就。1657年发表的《论赌博中的计算》，就是一篇关于概率论的科学论文(他是概率论的创始人)，显示了他在数学上的造诣。从1651年起，对于圆、二次曲线、复杂曲线、悬链线、概率问题等发表了一些论著，他还研究了浮体和求各种形状物体的重心等问题。■光学方面惠更斯原理是近代光学的一个重要基本理论。但它虽然可以预料光的衍射现象的存在，却不能对这些现象作出解释 ，也就是它可以确定光波的传播方向，而不能确定沿不同方向传播的振动的振幅。因此，惠更斯原理是人类对光学现象的一个近似的认识。直到后来，菲涅耳对惠更斯的光学理论作了发展和补充，创立了“惠更斯--菲涅耳原理”，才较好地解释了衍射现象，完成了光的波动说的全部理论。惠更斯在1678年给巴黎科学院的信和1690年发表的《光论》一书中都阐述了他的光波动原理，即惠更斯原理．惠更斯原理认为:对于任何一种波，从波源发射的子波中，其波面上的任何一点都可以作为子波的波源，各个子波波源波面的包洛面就是下一个新的波面。 他认为每个发光体的微粒把脉冲传给邻近一种弥漫媒质（“以太”）微粒，每个受激微粒都变成一个球形子波的中心．他从弹性碰撞理论出发，认为这样一群微粒虽然本身并不前进，但能同时传播向四面八方行进的脉冲，因而光束彼此交*而不相互影响，并在此基础上用作图法解释了光的反射、折射等现象《光论》中最精彩部分是对双折射提出的模型，用球和椭球方式传播来解释寻常光和非常光所产生的奇异现象，书中有几十幅复杂的几何图，足以看出他的数学功底．另外惠更斯在巴黎工作期间曾致力于光学的研究。1678年，他在法国科学院的一次演讲中公开反对了牛顿的光的微粒说。他说，如果光是微粒性的，那么光在交叉时就会因发生碰撞而改变方向。可当时人们并没有发现这现象，而且利用微粒说解释折射现象，将得到与实际相矛盾的结果。因此，惠更斯在1690年出版的《光论》一书中正式提出了光的波动说，建立了著名的惠更斯原理。在此原理基础上，他推倒出了光的反射和折射定律，圆满的解释了光速在光密介质中减小的原因，同时还解释了光进入冰洲石所产生的双折射现象，认为这是由于冰洲石分子微粒为椭圆形所致。■天文学方面惠更斯在天文学方面有着很大的贡献。他设计制造的光学和天文仪器精巧超群，如磨制了透镜，改进了望远镜（用它发现了土星光环等）与显微镜，惠更斯目镜至今仍然采用，还有几一十米长的“空中望远镜”（无管、长焦距、可消色差）、展示星空的“行星机器”（即今天文馆雏型）等．他把大量的精力放在了研制和改进光学仪器上。当惠更斯还在荷兰的时候，就曾和他的哥哥一起以前所未有的精度成功地设计和磨制出了望远镜的透镜，进而改良了开普勒的望远镜。惠更斯利用自己研制的望远镜进行了大量的天文观测。因此，他得到的报酬是解开了一个由来已久的天文学之谜。伽利略曾通过望远镜观察过土星，他发现了“土星有耳朵”，后来又发现了土星的“耳朵”消失了。伽利略以后的科学家对此问题也进行过研究，但都未得要领。“土星怪现象”成为了天文学上的一个谜。当惠更斯将自己改良的望远镜对准这颗行星时，他发现了在土星的旁边有一个薄而平的圆环，而且它很倾向地球公转的轨道平面。伽利略发现的“土星耳朵”消失，是由于土星的环有时候看上去呈现线状。以后惠更斯又发现了土星的卫星--土卫六，并且还观测到了猎户座星云、火星极冠等。■摆的研究和运用对摆的研究是惠更斯所完成的最出色的物理学工作。在1668～1669年英国皇家学会碰撞问题征文悬赏中，他是得奖者之一．他详尽地研究了完全弹性碰撞问题（当时叫“对心碰撞”）．死后综合发表于《论物体的碰撞运动》（1703）中，包括5个假设和13个命题．他纠正了笛卡儿不考虑动量方向性的错误，并首次提出完全弹性碰撞前后的守恒．他还研究了岸上与船上两个人手中小球的碰撞情况并把相对性原理应用于碰撞现象的研究．惠更斯从实践和理论上研究了钟摆及其理论．1656年他首先将摆引入时钟成为摆钟以取代过去的重力齿轮式钟．在《摆钟》（1658）及《摆式时钟或用于时钟上的摆的运动的几何证明》（1673）中提出著名的单摆周期公式，T=2P（l/g)^0.5,其中P为圆周率，l为摆长,g为重力加速度．研究了复摆及其振动中心的求法．通过对渐伸线、渐屈线的研究找到等时线、摆线．研究了三线摆、锥线摆、可倒摆及摆线状夹片等，图2－2－7是惠更斯的船用钟外形及其内部结构，结构中有摆锤、摆线状夹板、每隔半秒由驱动锤解锁的棘爪等．在研究摆的重心升降问题时，惠更斯发现了物体系的重心与后来欧勒称之为转动惯量的量，还引入了反馈装置——“反馈”这一物理思想今天更显得意义重大．设计了船用钟和手表平衡发条，大大缩小了钟表的尺寸．他还用摆求出重力加速度的准确值，并建议用秒摆的长度作为自然长度标准．惠更斯还提出了他的离心力定理，他还研究了圆周运动、摆、物体系转动时的离心力以及泥球和地球转动时变扁的问题等等．这些研究对于后来万有引力定律的建立起了促进作用．他提出过许多既有趣又有启发性的离心力问题．多少世纪以来，时间测量始终是摆在人类面前的一个难题。当时的计时装置诸如日规、沙漏等均不能在原理上保持精确。直到伽利略发现了摆的等时性，惠更斯将摆运用于计时器，人类才进入一个新的计时时代。当时，惠更斯的兴趣集中在对天体的观察上，在实验中，他深刻体会到了精确计时的重要性，因而便致力于精确计时器的研究。当年伽利略曾经证明了单摆运动与物体在光滑斜面上的下滑运动相似，运动的状态与位置有关。惠更斯进一步确证了单摆振动的等时性并把它用于计时器上，制成了世界上第一架计时摆钟。这架摆钟由大小、形状不同的一些齿轮组成，利用重锤作单摆的摆锤，由于摆锤可以调节，计时就比较准确。在他随后出版的《摆钟论》一书中，惠更斯详细地介绍了制作有摆自鸣钟的工艺，还分析了钟摆的摆动过程及特性，首次引进了“摆动中心”的概念。他指出，任一形状的物体在重力作用下绕一水平轴摆动时，可以将它的质量看成集中在悬挂点到重心之连线上的某一点，以将复杂形体的摆动简化为较简单的单摆运动来研究。惠更斯在他的《摆钟论》中还给出了他关于所谓的“离心力”的基本命题。他提出：一个作圆周运动的物体具有飞离中心的倾向，它向中心施加的离心力与速度的平方成正比，与运动半径成反比。这也是他对有关的伽利略摆动学说的扩充。在研制摆钟时，惠更斯还进一步研究了单摆运动，他制作了一个秒摆（周期为2秒的单摆），导出了单摆的运动公式。在精确地取摆长为3.0565英尺时，他算出了重力加速度为9.8米/秒2。这一数值与现在我们使用的数值是完全一致的。后来，惠更斯和胡克还各自发现了螺旋式弹簧丝的振荡等时性，这为近代游丝怀表和手表的发明创造了条件。■力学方面在力学方面的研究，惠更斯是以伽利略所创建的基础为出发点的。在《论摆钟》一书中还论述了关于碰撞的问题。大约在1669年，惠更斯就已经提出解决了碰撞问题的一个法则——“活力”守恒原理，它成为能量守恒的先驱。惠更斯继承了伽利略的单摆振动理论，并在此基础上进一步研究。他把几何学带进了力学领域，用令人钦佩的方法处理力学问题，得到了人们的充分肯定。

商品信息 内容简介 《遥望星空(一):人类怎样开始认识太阳系》是数学文化小丛书中的一本，数学文化小丛书精选对人类文明发展起过重要作用、在深化人类对世界的认识或推动人类对世界的改造方面有某种里程碑意义的主题，深入浅出地介绍数学文化的丰富内涵、数学发展史中的一些重要篇章以及一些著名数学家的历史功绩和优秀品质等内容。 编辑推荐 《遥望星空(一):人类怎样开始认识太阳系》适于包括中学生在内的读者阅读。 作者简介 齐民友，武汉大学数学与统计学院教授。专业方向为偏微分方程。曾任国务院学位委员会数学组成员，武汉大学校长，中国数学会副理事长。湖北省数学会理事长。湖北省科协副主席。发表过若干专业论文，撰写过一些教材和科普书籍，如《重温微积分》，翻译了一些国外著作，如H.Weyl的《数学与自然科学之哲学》。 目录 一、引子 二、古代宇宙的图景——地心说 亚里士多德和地心说 托勒玫的地心说 地心说与基督教 三、哥白尼的革命，现代科学的兴起 哥白尼和他的日心说 火星的逆行运动开普勒四、近代科学的伟大开创者——伽利略 伽利略的生平 伽利略与力学 伽利略和他的望远镜 伽利略与宗教裁判所 五、结束语 序言 整个数学的发展史是和人类物质文明和精神文明的发展史交融在一起的。数学不仅是一种精确的语言和工具，不仅是一门博大精深并应用广泛的科学，而且更是一种先进的文化。它在人类文明的进程中一直起着积极的推动作用，是人类文明的一个重要支柱。 要学好数学，不等于拼命做习题、背公式，而是要着重领会数学的思想方法和精神实质，了解数学在人类文明发展中所起的关键作用，自觉地接受数学文化的熏陶。只有这样，才能从根本上体现素质教育的要求，并为全民族思想文化素质的提高夯实基础。 后记 人类经过一两千年的努力，终于认识了太阳系的运动规律。不妨认为它们集中地表现为开普勒的三大定律。但是，为什么会有这三个定律？亚里士多德关心的是事物的“为什么”，他的回答则是形而上学的思辨。天主教关心的是树立上帝的权威，它可以回答说这一切都是上帝的旨意。但是，人们经过一两千年的探索，特别到了伽利略，更加明确了应该探讨更深层的规律。与这种更深层的探讨比较，开普勒的三定律只是“惟象定律”。这个深层规律必然是数学规律。而当时的数学，以欧几里得几何为代表，已经远远不够了。 文摘 伽利略的生平 在科学史中很难找到如伽利略这样独创而又多产的人。他的一生真可谓波澜壮阔。他在哥白尼和开普勒的基础上建立了现代物理学的基本框架，而且剥夺了亚里士多德的至高无上的“权威”。他如同哥白尼和开普勒一样，认为宇宙的规律是一种数学规律；他明确提出实验是一种基本的科学方法。他的这些思想直到今天，仍然保持着旺盛的生命力。 伽利略自幼喜爱数学、天文学和物理学。但是，他的父亲却命令他学习医学。当他在比萨大学念书时，甚至他的数学老师也到他的家里来为他向父亲求情，要求他的父亲允许他学习数学。这样他才获准学习欧几里得、阿基米德的著作，还有托勒玫的天文学。经过多方面努力，伽利略终于从1589年起在比萨大学教数学。在三年的任教期间，他写了《论运动》(DeMotu)一书。这是一本文集，但是一直没有出版，因为伽利略对它并不满意，而且，其中确实有错误。所谓两门新科学，一门是指力学，另一门按伽利略的说法是指关于材料和结构的科学。但是与我们理解的材料科学不同，书中有时讲一些关于棵的强度等问题，所以实际上比较接近于我们说的材料力学。伽利略还有另—本重要著作《两大世界体系》，全名为《关于两种主要世界体系的对话》许多外文文献常略记为cDialogo’)更为世人所知，而目有中文译本。它与这本书“任务”不同，下面我们还要说明。在《论运动》和《两门新科学》中，伽利略非常详尽地讲解了自己关于力学的研究成果，特别是斜面的理论，这是伽利略很重要的研究，因为伽利略由此得到了自由落体定律。可是，更加重要的是，伽利略从写《论运动》的时候开始，就明确地反对亚里士多德。从方法论来说，《论运动》里面提出了一个具有革命性的新思想：那就是，各种科学规律应该用实验来证实，而且还设计了用以验证自由落俸定律的斜面实验。这个思想当然是与亚里士多德完全背道而驰的。 1592年，伽利略的父亲去世，伽利略作为长子承担了养家糊口的重担(还要为两个没有出嫁的妹妹筹办嫁妆)，于是来到帕多瓦(Padua。)大学给医科大学生们教数学和托勒玫的天文学(因为那时的医生治病常用占星术，所以要学天文学)。这时，伽利略就已经信奉了哥白尼的日心说，但是还没有公开表明自己的观点。下面是1597年伽利略致开普勒的信的摘录：“……我和您一样，好几年前就已接受了哥白尼的立场，而且由此发现了许多自然界的效应的原因，而这些效应是现今流行的理论无法解释的。我已经把关于这个主题的支持的理由和反对的意见写下来了，但是一直未敢公之于众，因为哥白尼的命运已经给了我警戒：我们的大师(指哥白尼)在少数人中获得了不朽的名声，而在大群人中却失败了(因为蠢人总是很多的)，遭到嘲弄和羞辱。如果有许多人都像您那样，我当然敢于公开我的思想，但是因为并非如此，我也只好忍着。”我们不妨再看一下开普勒的回信：“……您既有如此深刻的洞察力，我希望您能够采取另外的态度。您以自己为例，劝我们以谨慎隐蔽的方式行事，并且在广泛存在的无知面前退一步，在反对那一群学者暴徒的剧烈攻击时要小心从事(您在这里正是仿效了我们真正的先知：柏拉图和毕达哥拉斯)。但是在我们的时代，一项宏大的任务已经启动，首先有哥白尼，还有许多非常有学问的数学家，现在，是地球在运动这个论断已经没有什么新鲜之处。我们既已乘上了战车，就让我们协力把它驱动，逐步地用响亮的声音对凡人高呼。他们其实并没有细心地去体会我们的论据的力量。这样驶向最终的目的，岂不更好？这样做，说不定只要我们小心，也能给凡人带来真理。同时，您也可以用您的论据帮助您的志同道合者，他们经受了那么多的不公正的评判，会因为您的同意，或者您的有影响的地位给予他们的保护而感到安慰。不仅是你们意大利人因为没有感觉到地球的运动，就不相信地球在动，我们德国人也是，用什么办法都不能使他们感到这个想法的亲切和自然。但是我们总会有办法对付这些困难……伽利略，打起精神来吧，公开站出来吧。如果我的判断不错，在欧洲总会有少数几个数学家和我们站在一边，真理的力量是巨大的……”。从这段引文中，我们的读者不是可以体会到真理在那个时代所遭到的压迫？不是可以体会到这些科学的巨人的战友情谊吗？有关为哥白尼日心说而斗争，以致最后遭到宗教裁判所的迫害的经历我们将在下面详细介绍。 伽利略在帕多瓦大学前后共18年。伽利略自己说，这是他一生中最愉快的时期。他关于力学的研究，例如斜面、抛射体、摆的研究主要都是这个时期的成就。值得提到的是，1609年他在威尼斯的一位朋友沙尔皮(PaoloSarpi)告诉他，有一个荷兰人造了，一个望远镜正在威尼斯演示。须知，伽利略不但是一个理论家，而且是一个实验家；不但会设计实验，而且会制造实验仪器。他制造过许多实用的东西。于是，他自己也开始制造望远镜了，而且有了不小的改进，放大率提高到10倍之多。伽利略开始利用望远镜来观测天象。这在人类科学史上本身就是一件划时代的大事，而在短短两个月内，其成果之丰富有人说是空前的。可是这也把他更深地带进了与天主教教廷的斗争。1610年，伽利略离开了帕多瓦大学。一场意义极为深远的斗争开始了。 在介绍伽利略的各种贡献以前，先要回答一个问题：他的最重要的贡献在哪一方面？可能会出读者们的意料，是在数学。但是下面并不介绍伽利略证明了什么定理。为什么要这样说？其实这是他自己的看法。在他之前，哲学家们，主要是亚里士多德，把注意力放在研究事物的“终极的原因”，“存在的目的”等等，想要回答“为何(why)”的问题，有着浓厚的思辨色彩。伽利略则把注意力放在“如何(how)”的问题上，希望得到明确的定量的结果。实质上就是企求数学化，他说： 哲学写在大自然这本大书里，这本书对于我们是打开着的。但是，除非首先学会懂得它的语言，会读这本书使用的文字，我们就不可能理解它。它是用数学语言写的，它的文字就是三角形、圆和其他几何图形。没有它，这本书凡人连一个字也看不懂。没有这些就会在黑暗的深渊中迷路。 由于这段话十分重要，我们下面还要再引述一次，并且说明其背景。由“为何(why)”转变为“如何(how)”，是科学方法的重大转变，而其首创者则是伽利略。有所不为是成为大师的必备的条件。伽利略有所不为的事，正是抽象地思辨与争论“为何(why)”的问题。这里是伽利略与亚里士多德的分水岭。看到了这一点，下文的意义就容易理解了。

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伽利略·伽利雷(1564～1642)意大利天文学家、力学家、哲学家。 1564年2月15日生于比萨，1642年1月8日卒于比萨。伽利略家族姓伽利莱(Galilei)，他的全名是Galileo Galilei，但现已通行称呼他的名Galileo，而不称呼他的姓。 生平： 伽利略1572年开始上学，1575年随家迁居佛罗伦萨进修道院学习。1589年被聘为比萨大学的数学教授。1591年到威尼斯的帕多瓦大学任教。1609年回佛罗伦萨，1611年到罗马并担任林嗣科学院的院士。1633年2月以“反对教皇,宣扬邪学”被罗马宗教裁判所判处终身监禁。1638年以后，双目逐渐失明，晚景凄凉。1642年1月8日逝世。三百多年后，1979年11月10日，罗马教皇不得不在公开集会上宣布：1633年对伽利略的宣判是不公正的。1980年10月又提出重审这一案件，并在罗组成一个包括不同宗教信仰的世界著名科学家委员会来研究伽利略案件的始末，研究科学同宗教的关系，研究伽利略学说的科学价值及其对现代科学思想的贡献。 主要贡献： 可分下列三个方面： ①力学 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。接着在1585年因家庭经济困难辍学。离开比萨大学期间，他深入研究古希腊学者欧几里得、阿基米德等人的著作。他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观察。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。根据伽利略晚年的学生V.维维亚尼的记载，落体实验是在比萨斜塔上公开进行的，但在伽利略的著作中并未明确说明实验是在比萨斜塔上进行的。因此近年来对此存在争议。 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在科学基础之上，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。 伽利略还提出过合力定律，抛射体运动规律，并确立了伽利略相对性原理. 伽利略在力学方面的贡献是多方面的。这在他晚年写出的力学著作《关于两门新科学的谈话和数学证明》中有详细的描述。在这本不朽著作中，除动力学外，还有不少关于材料力学的内容。例如，他阐述了关于梁的弯曲试验和理论分析，正确地断定梁的抗弯能力和几何尺寸的力学相似关系。他指出，对长度相似的圆柱形梁，抗弯力矩和半径立方成比例。他还分析过受集中载荷的简支梁，正确指出最大弯矩在载荷下，且与它到两支点的距离之积成比例。伽利略还对梁弯曲理论用于实践所应注意的问题进行了分析，指出工程结构的尺寸不能过大，因为它们会在自身重量作用下发生破坏。他根据实验得出，动物形体尺寸减小时，躯体的强度并不按比例减小。他说：“一只小狗也许可以在它背上驮两三只同样大小的狗，但我相信一匹马也许连一匹和它同样大小的马也驮不起。” ②天文学 他是利用望远镜观测天体取得大量成果的第一位科学家。这些成果包括：发现月球表面凹凸不平，木星有四个卫星（现称伽利略卫星），太阳黑子和太阳的自转，金星、木星的盈亏现象以及银河由无数恒星组成等。他用实验证实了哥白尼的“地动说”，彻底否定了统治千余年的亚里士多德和托勒密的“天动说”。 ③哲学 他一生坚持与唯心论和教会的经院哲学作斗争,主张用具体的实验来认识自然规律,认为经验是理论知识的源泉。他不承认世界上有绝对真理和掌握真理的绝对权威，反对盲目迷信。他承认物质的客观性、多样性和宇宙的无限性，这些观点对发展唯物主义的哲学具有重要的意义。但由于历史的局限性，他强调只有可归纳为数量特征的物质属性才是客观存在的。 伽利略因为支持日心说入狱后，”放弃了”日心说，他说”考虑到种种阻碍，两点之间最短的不一定是直线”，正是因为他有这样的思想，暂时的放弃换得永远的支持，没有像布鲁诺那样去壮烈，但却可以为科学继续贡献自己的力量。 伽利略奥．伽利略（Galileo Galilei,1564 - 1642）是意大利文艺复兴后期伟大的天文学家、物理学家、力学家和哲学家，也是近代实验物理学的开拓者。他是为维护真理而进行不屈不挠的战士。恩格斯称他是“不管有何障碍，都能不顾一切而打破旧说，创立新说的巨人之一”。 一．伽利略生平 伽利略于1564年2月15日出生于意大利西部海岸的比萨城，他原籍佛罗伦萨，出身没落的名门贵族家庭。伽利略的父亲是一位不得志的音乐家，精通希腊文和拉丁文，对数学也颇有造诣。因此，伽利略从小受到了良好的家庭教育。 伽利略在十二岁时，进入佛罗伦萨附近的瓦洛姆布洛萨修道院，接受古典教育。十七岁时，他进入比萨大学学医，同时潜心钻研物理学和数学。由于家庭经济困难，伽利略没有拿到毕业证书，便离开了比萨大学。在艰苦的环境下，他仍坚持科学研究，攻读了欧几里德和阿基米德的许多著作，做了许多实验，并发表了许多有影响的论文，从而受到了当时学术界的高度重视，被誉为“当代的阿基米德”。 伽利略在25岁时被比萨大学的数学教授。两年后，伽利略因为著名的比萨斜塔实验，触怒了教会，失去这份工作。伽利略离开比萨大学后，于1592年去威尼斯的帕多瓦大学任教，一直到1610年。这一段时期是伽利略从事科学研究的黄金时期。在这里，他在力学、天文学等各方面都取得了累累硕果。 1610年，伽利略把他的著作以通俗读物的形式发表出来，取名为《星空信使》，这本书在威尼斯出版，轰动了当时的欧洲，也为伽利略赢得了崇高的荣誉。伽利略被聘为“宫廷哲学家”和“宫廷首席数学家”，从此他又回到了故乡佛罗伦萨。 伽利略在佛罗伦萨的宫廷里继续进行科学研究，但是他的天文学发现以及他的天文学著作明显的体现出了哥白尼日心说的观点。因此，伽利略开始受到教会的注意。1616年开始，伽利略开始受到罗马宗教裁判所长达二十多年的残酷迫害。 伽利略的晚年生活极其悲惨，照料他的女儿赛丽斯特竟然先于他离开人世。失去爱女的过分悲伤，使伽利略双目失明。即使在这样的条件下，他依然没有放弃自己的科学研究工作。 1642年1月8日，凌晨4时，伟大的伽利略——为科学、为真理奋斗一生的战士，科学巨人离开了人世，享年78岁。在他离开人世的前夕，他还重复着这样一句话：“追求科学需要特殊的勇气。” 二．伽利略和他的科学发现 古希腊在物理学说方面有两大学派，一派以哲学家亚里士多德为代表，另一派则以自然科学家阿基米德为代表。两人皆是古代希腊蓍名的学者，但由于两人的观点和方法不同，其科学结论也就各异，并形成了鲜明的对立。亚里士多德学派的观点基本是唯心的，他是凭主观思考和纯推理方法作结论的，所以是充斥着谬误。而阿基米德学派的观点基本是唯物的，他完全依靠靠科学实践方法得出结论。 然而从11世纪起，在基督教会的扶持下，亚里士多德的著作得到了经院哲学家的重视，他们排斥阿基米德的物理学，把亚里士多德的物理学奉为经典，凡违反亚里士多德物理学的学者均被视为“异端邪说”。但伽利略却对亚里士多德的物理学抱怀疑态度，相反他特别重视对阿基米德物理学的研究，他重视理论联系实际，注意观察各种自然现象，思考各种问题。在伽俐略十八岁那年，一次到比萨教堂去做礼拜，他注意到教堂里悬挂的那些长明灯被风吹得一左一右有规律地摆动，他按自己脉博的跳动来计时，发现它们往复运动的时间总是相等的。就这样他发现了摆的等时性，后来荷兰物理学家惠更斯根据这个原理制成挂摆时钟，人们称之为"伽利略钟"。 伽利略根据阿基米德的学说，作了迅速确定合金成分的流体静力天平的研究，发明了可以测定物质密度的"小天平"，写出了名为《小天平》的论文。后来他又潜心研究了物体重心的几何学，于1588年发表了《固体的重心》的论文，引起学术界的注意。第二年，在友人的推荐下，被比萨大学聘任为数学教授。 亚里士多德认为两个物体以同一高度落下，重的比轻的先着地。但伽利略经过反复的研究与实验后，得出了与之截然相反的结论：物体下落的快慢与重量无关。1590年，伽利略在比萨斜塔公开作了落体实验，验证了亚里士多德的说法是错误的，使统治人们思想长达2000多年的亚里士多德的学说第一次发生动摇。而应邀前来观看的一些著名学者却否认自己亲眼见到的一切，他们群起攻击伽利略。1591年，伽利略被比萨解聘。 从科学史上看，伽利略并不是落体实验的首创者，其首创者是比利时的斯台文。但伽利略的比萨斜塔实验所造成的影响却是更为深远的。 1592年，伽利略来到威尼斯的帕多瓦大学任教，开始了他科学活动的黄金时期。在这一时期，他研究了大量的物理学问题，如斜面运动、力的合成、抛射体运动等。他还对液体与热学作了研究，发明了温度计。1609年，伽利略制成了天文望远镜，并用这台望远镜去探索宇宙的奥秘，他发现月球的表面凹凸不平，有高山深谷；木星有四颗卫星围绕它旋转，金星和月亮一样有盈有亏；土星有光环；太阳有黑子，能自转。银河是由于千千万万颗暗淡的星星所组成。这些发现为哥白尼、布鲁诺的观点提供了有力的证据。对教会的信条进行了严厉的打击。 第二年，他出版了《星际使者》，通俗地向读者介绍他观察到的天空现象，宣传了他的观点。这部著作在欧洲引起了极大的轰动，伽利略因此被称为“天空的哥伦布”。1613年，他在罗马发表了《论太阳黑子》。该书以书信形式明确指出了哥白尼学说是正确的，托勒密学说是错误的。由此伽利略触怒了教会，开始受到宗教裁制所的审讯。 在教廷的压制下，伽利略仍继续科学研究，在长期观察和研究天体运动的实践中，他更加坚信哥白尼学说的正确性。1632年1月，伽利略在佛罗伦萨出版了《关于托勒密和哥白尼的两大世界体系的对话》。他在书中用三位学者对话的形式，作了四天的谈话。讨论了三个问题：1、证明地球在运动；2、充实哥白尼学说；3、地球的潮汐。《对话》总结了伽利略长期科研实践中的各种科学发现，宣告了托勒密地心说理论的破产，从根本上动摇了教会的最高权威，从而推动了唯物论思想的发展。这部著作一经出版便受到广大读者的欢迎。但却遭到了罗马教会的反对。伽利略因此而受到了长期的监禁。 1636年，伽利略在监禁中偷偷地完成了他一生中另一部伟大的著作《关于两种新科学的对话》。该书于1638年在荷兰出版。这部伟大著作同样是以三人对话形式写的。“第一天”是关于固体材料强度的问题，反驳了亚里士多德关于落体的速度依赖于其重量的观点；“第二天”是关于内聚作用的原因，讨论了杠杆原理的证明及梁的强度问题；“第三天”讨论了匀速运动和自然加速运动；"第四天"是关于抛射体运动的讨论。这一巨著从根本上否定的亚里士多德的运动学说。 三．伽利略的科学研究方法 伽利略对物理规律的论证非常严格。他创立了对物理理象进行实验研究并把实验的方法与数学方法、逻辑论证相结合的科学研究方法。例如，为了说明惯性，他曾设计一个无摩擦的理想实验：在一定点O悬挂一单摆，将摆球拉到离竖直位置一定距离的左侧A点，释放小球，小球将摆到竖直位置的右侧B点，此时A点与B点处于同一高度。若在O的正下方C用钉子改变单摆的运动路线，小球将摆到与A、B两点同样高度的D。伽利略指出，对于斜面会得出同样的结论。他将两个斜面对接起来，让小球沿一个斜面从静止滚下，小球将滚上另一斜面。如果无摩擦，小球将上升到原来的高度。他推论说，如果减小第二个斜面的倾角，小球在这个斜面达到原来的高度就要通过更长的距离。继续使第二个斜面的倾角越来越小，小球将合滚得越来越远。如果第二个斜面改成水平面，小球就永远达不到原来的高度，而要沿水平面以恒定速度持续运动下去。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。伽利略的这一自然科学新方法，有力地促进物理学的发展，他因此被誉为是“经典物理学的奠基人”。 四．伽利略在科学史上的地位 伽利略的科学发现，不仅在物理学史上而且在整个科学中上都占有极其重要的地位。他不仅纠正了统治欧洲近两千年的亚里士多德的错误观点，更创立了研究自然科学的新方法。 伽利略在总结自己的科学研究方法时说过，“这是第一次为新的方法打开了大门，这种将带来大量奇妙成果的新方法，在未来的年代里，会博得许多人的重视。”后来，惠更斯继续了伽利略的研究工作，他导出了单摆的周期公式和向心加速度的数学表达式。牛顿在系统地总结了伽利略、惠更斯等人的工作后，得到了万有引力定律和牛顿运动三定律。伽利略留给后人的精神财富是宝贵的。爱因斯坦曾这样评价：“伽利略的发现，以及他所用的科学推理方法，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的开端！”