近代科学之父——伽利略.ppt

近代科学之父伽利略,爱因斯坦：“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！”,伽利略伽利莱（Galileo Galilee，1564-1642年）是文艺复兴后期近代实验科学的创始人.1564年伽利略生于意大利的比萨城，他的父亲是一位才华出众的音乐家和教育家.1581年，17岁的伽利略受父命进入比萨大学学医，但他对医学不感兴趣，而对古希腊的物理学及亚里士多德、埃夫克利德和阿基米德的著作着迷.于是他离开比萨大学，到佛罗伦萨研究了四年数学.1589-1592年，伽利略在比萨大学任数学教授，1592-1610年又在帕图亚大学任教.在此期间，伽利略在数学、天文学，特别是力学方面有了很深的造诣，学术上成果累累.他通过大量的观察和实验总结出了惯性定律、自由落体运动定律和相对性原理；发现了单摆振动的等时性原理；用自制的33倍望远镜观察天象，发现了一系列令人震惊的天文现象.伽利略将观察到的天文现象写成星际使者（Nuncius Sidereus）一书，于1610年发表.书中介绍了月球上的环状山脉，无数星体构成的银河系，金星的盈亏，木星的四颗卫星，太阳黑斑等等，从而对哥白尼的“天体运行”论提供了有力的支持，同时也动摇了亚里士多德托勒密的地心说，更是对教会神学和经院哲学的无情打击.这引起了教会的仇视和憎恨.1611年，伽利略应邀来到罗马，在罗马期间，伽利略为了确立新的自然研究法实验法的地位，又同教会的唯心论世界观进行了激烈的斗争，这就更加激怒了教会.1632年，他的名著关于两大世界体系的对话出版，但立即被教会列为禁书.1633年6月22日，伽利略受到宗教法庭审判，并被判终身软禁，成了“宗教裁判所”的囚徒.1638年，伽利略在荷兰出版了关于两门新学科与数学证明的谈话一书，对自己多年来在力学方面的研究进行了总结.1642年伽利略与世长辞，葬于佛罗伦萨的圣克罗切教堂，终年78岁.,伽利略的成就,伽利略望远镜观测天文学,为牛顿理论体系的建立奠定基础,实验设计,铜壶漏滴,伽利略斜面实验,等末速度法：物体从相同的位置经不同的路途 落于同一高度，终了速度大小相等 。,h,l,A1,B1,A2,B2,结论外推,结论外推,后人用伽利略的器材重复他的实验时发现：铜球沿斜面滚下，如果斜面倾角超过5度就很难准确计时了。伽利略把他的结论外推至90度是需要很大勇气的，后来他的外推被证实了！,伽利略的力学研究工作所蕴含的科学方法,1.物理观察方法 物理观察方法是指人们通过感觉器官或借助于科学仪器，有目的、有计划地感知客观对象，从而获得其中的物理因素、形象、变化及其相互关系的一种研究方法。物理观察的第一个显著特点是在自然发生的状态下，对研究对象进行观察；第二个显著特点是经验观察，就是在人为设的实验条件下，对自然事物或现象进行观察。观察的任务是观察自然事物或现象，记录事实，发现矛盾，为进一步的分析研究提供第一手资料。观察的目的：揭示研究对象的性质和规律性，指导社会实践。从以上所描述伽利略的研究工作过程中，他从1605年开始就把观察作为科学研究的坚实基础。在他看来，观测和测量完全可以作为划定科学事实范围的最高准则。他从来不会忽视在观测中所发生的任何细小变化。他对力学和天文学的贡献，可以说几乎全部来源于实验和观察的结果。 伽利略使用观察方法在科学研究中的重大作用，也被后来许多学科的科学家所公认。如前苏联著名的生理学家巴甫洛夫对他的学生说他成功的秘诀就是：“观察、观察、再观察”，“应该先学会观察，观察，不会观察，你就永远当不了科学家”。英国的细菌学家弗莱明在他发明青霉素于1945年获得诺贝尔医学奖时，深有感触地说“我的唯一功劳是没有忽视观察”。,2.数学方法 数学方法是指在科学研究中，应用数学提供的概念、符号和规则进行定量的描述、推导和演算，然后对数学结果进行分析和判断，从量和结构方面运用数学形式表示事物的特征和规律。马克思说：“一种科学只有成功地运用数学时，才算达到真正完善的地步”。爱因斯坦也曾说过：“在我们全部知识中，那个能够用数学语言来表达的部分，就划为物理学领域”。数学方法为物理学研究提供了精确的形式化语言和表达工具。数学方法较少地受物质和技术条件的限制，依靠其抽象推理可以从理性上认识客观世界，也便于物理理论的推广。 伽利略把他的物理研究与数学紧密结合起来，为物理学的发展开辟了新的途径。他以准确的数学语言证明物质运动的规律和表达物理的定律。他认为数学是人类思维的一种完全可靠的逻辑形式，“大自然这本书是用数学的语言写成的”。不懂数学语言，就不能揭开自然界的奥秘。在他那里，数学的简单性与和谐性被当作物体运动应该符合的先验原则。他是第一个用坐标表示物理量来研究物体运动规律的人。伽利略不仅设计巧妙的斜面实验，而且他运用了数学方法发现球和斜面的坡度，虽然都可不同，但小球沿斜面滚下的距离总是与时间的平方成正比。当倾角等于90度时，就过渡到了自由落实运动。的以数学和实验相结合的方法得出了正确的结论，并以数学的语言表达了路程与时间的关系：s=gt2/2。这就是物理学中的落体定律。,伽利略的力学研究工作所蕴含的科学方法,3.实验方法 物理实验方法是指人们根据研究的目的，利用物理仪器设备，人为地控制或模拟物理现象，排除各种偶然、次要因素的干扰，突出主要因素，在有利的条件下能重复地去研究物理现象及其规律。实验方法是探索物理现象及其规律的基本方法，是获取第一手科研资料重要的和有力的手段。实验方法是探索自然奥秘创立新理论的必由之路。实验方法也是检验真理的标准和推动自然科学技术发展重要的途径。从上述伽利略开展的研究工作中，我们不难发现，他采用的是以他开创的实验方法为核心的一系列近代科学研究的方法，以自由落体问题为突破口，开创了近代力学的先河。为了验证结论的正确性，他通过上百次的斜面实验。在实验中，他丢开一些次要因素，抓住问题的根本，如他知道小球在从斜面滚下的过程中，摩擦力是不可避免的，但可力求使之减到最低的限度。这样一来，摩擦力可小到忽略不计，就可使计量问题大为简化。他采用磨得很光的平面，再铺以羊皮纸，羊皮纸也尽可能平滑光亮，所用的黄铜球也打磨得很光滑，由此保证了摩擦力小到可忽略不计的条件。他所使用的方法就是简化和纯化研究对象，让研究对象在纯粹的状态下展现出它的特征，从而获得对认识对象的正确认识。针对当时还没有精确的测时装置的情况下，伽利略在实验中还独创性地使用了滴水称量法，将实验过程中流出的水滴在精确的天平上称量，以水重之比推出时间之比。伽利略在实验过程中把科学的推理和实验的事实紧密地结合起来，把数学与实验的结果紧密地结合起来。 伽利略在推导“惯性定律”的过程中，还第一次采用了理想实验的方法。他首先假定小球从一个无摩擦的斜面上滚下来，然后在一个无限延伸的光滑平面上运动。很显然，没有摩擦的斜面和无限延的平面是不存在的。这些实验虽然只是想象中的实验，但它是建立在可靠的事实基础上的，这种抽象的方法既弥补了实验条件的限制，所得的结论又能令人信服。,伽利略的力学研究工作所蕴含的科学方法,从以上可以看出，伽利略在研究力学的过程中把实验和数学结合在一起，既注重逻辑推理，又依靠实际观察和实验检验，这就构成了一套完整的科学研究方法程序如下：观察现象提出假设逻辑推理实验检验数学演绎形成理论伽利略所运用的这套科学研究方法，直到今天对我们的科学工作者，在科技创新方面仍有着重要的指导作用。,伽利略的力学研究工作所蕴含的科学方法,重的物体下 落得比轻的 物体快?,v t,s t2,小球在斜面 上运动实验,外推至 落体运动,对现象的 一般观察,提出假设,逻辑(数学) 得出推论,对推论 进行检验,对假说修 正和推广,伽利略的科学方法,常听人说，伽利略之所以成为近代科学之父，是由于它以经验的、实验的方法替代思辨的、演绎的方法。但我认为，这种理解是经不起严格审查的，任何一种经验