自然科学史论文.doc

从伽利略的发现看伽利略的实验方法【摘要】伽利略将实验第一次引进到了自然科学的探索中，从而发现了摆的等时性原理，初步定义了惯性定理并在天文学上面做出了其重大的贡献。他运用其严谨的数学思维逻辑和严密的实验对其所发现的定理和以前的定理进行验证。他在追求真理的过程中，不畏惧于权威，坚持于自己所观察到的和实验所显现出来的事实。【关键词】 摆的等时性原理 惯性定理的理论 天文发现 严谨的思维 严密的实验 合理的推理1 引言 伽利略的全名叫伽利略伽利雷。是意大利伟大的物理学家和天文学家。世界科学技术史上称他为近代科学之父。他开创了以实验事实为根据并且具有严密逻辑体系的近代科学。他把科学试验方法首次引入物理学中。他应用数学知识首次提出了惯性、加速度等概念，他发现了自由落体定律、运动叠加原理和单摆的周期性等等。他在人类历史上首次用自制的望远镜观测天体，获得许多重要发现，给哥白尼的日心说以有力的支持。 世界名人传记丛书 伽利略传 【俄】鲍格库兹涅佐夫著 陈太先 马世元 译在伽利略的那个时代，教育仍然还是处于一种传统的、一成不变的状态。亚里士多德的某些过时的自然哲学继续处于权威地位，而医学仍然深深植根于希波克拉底（公元前460年公元前375年，西药之父）和伽林（约130200）的那些危险、不合时宜的生物学理论之上。人们每天所做的仍然是对拉丁以及希腊课本的释义。而最让人不能忍受的则是，在那个时代，任何人都不能对现有的经典著作产生任何怀疑，否则就会被认为是左道邪说因而罪大恶极。2 “摆的等时性原理”的发现在那样的一个时代里面，伽利略进入了比萨大学依照父亲的教诲学习医学。大学里面的古板的课程安排和照本宣科的老师很快让伽利略产生了厌烦的状态。但是他在比萨大学里面的时光也并不都是充满烦闷的，在比萨大学完备的图书馆里，伽利略阅读了亚里士多德和前人的很多的经典著作，但是随着阅读的深入和思考的深入，他对亚里士多德的许多理论也产生了怀疑。而其数学上面的恩师宫廷数学家玛窦里奇对其展开的一个充满着严密的逻辑性的数学王国更是让其对数学产生了浓厚的兴趣，在恩师的推荐下，伽利略深入的研读了欧几里得的几何原本和阿基米德的著作，从而打下了他在数学方面坚实的基础。一次偶然的机会，伽利略在教堂中看到了教堂的吊灯的摆动的规律，之后在他的宿舍里面，他和他的室友共同完成了“钟摆实验”。也许这个实验在现在是那么的简单和无奇，材料简单而且检验起来也十分方便，可是在伽利略那个没有秒表的时代里面，测量时间便成为了一个最大的难题。伽利略应用他在大学里面学到的医学的知识和他的室友用脉搏计时的方法准确地测量了多组数据，从而推翻了亚里士多德的“摆幅小需时小”的理论。经过了反复试验与计算，伽利略果真得出了这样的结论，并用数学公式给予了精确的描述：摆动的周期与摆的长度的平方根成正比，而与摆锤的重量无关。 世界著名科学家发明家丛书 王燕 马玉凤 王磊 编著 新时代出版社 北京也就是说，长度相同的摆，周期也相同。这就是著名的“摆的等时性原理”。这是伽利略一生中的第一个发现，也是他在科学之路上所迈出的坚实的一步。“摆的等时性原理”的发现，大大激发了伽利略的创造热情，而在他的手下诞生的种种有用的“小玩意”也随之出现了。 “计脉器”和摆钟的设计图便是这个理论和生活结合的最好的例子。可能对于那个时候的医学生来说，脉搏计时的方法是每个人都知道的平淡无奇的方法，是在教科书上面完完整整的记录着的理论，但是却不是每个人都可以把这个方法运用于科学探究的试验中的。在那个时候，人们更加注重的是直觉上面的判断，就像那个时候的人们觉得质量越是大的东西就会下降的越快一样。人们已经习惯了直觉上面的判断，而不是通过严谨的实验来证实这些个约定俗成的现象。伽利略在这个方面的成功恰恰是他不在拘泥于单纯的实验观察，而是结合了严谨的数学语言来解释这一现象，并对之加以推论，最后再用实验来对其进行检验。他将科学从定性引向了更为严谨和更加能够用实验来证明的定量。3 惯性定律的理论伽利略将他的实验天才也运用在了力学的另外方面，他在他1632年完成的关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话里面写到了关于惯性的实验，并且为此，他进行了著名的斜体实验，在我们高中的教科书上面，我们也曾见到过这个实验：采用中间挖有一个沟槽的木板，将木板的一段抬高时，球便会沿着铺有光滑的牛皮纸的沟槽滑下（光滑的牛皮纸是为了减小摩擦），因此产生的摩擦力极小。当球向下滑动的时候，他就记下木板一边的高度和球在木板上面的从高处向低处滚动所需要的时间。然后将木板升到不同的高度，反复进行试验。有时候，他还用两个球进行试验，一个球沿着沟槽滚下，另一个球则同时自由下落。试验证明：斜面的倾斜度并不重要。他的定律使用于个各种倾斜度，因此也适合任何所需的时间。在通过对试验结果的认真分析之后，伽利略发现了一条重要的力学原理：惯性原理。后来这个定理被牛顿概括为著名的惯性定律。在这个实验里面，伽利略运用了理想化实验这种方法，在观察到每次小球在第二个斜面上面上升的高度都是略小于小球在第一个下面上面向下无初速度滚落的高度之后，伽利略将这个细小的误差归结于小球在下落的时候所遇到的空气阻力和斜面的摩擦力，并随之经过严密的思考，将斜面理想化，并随之发现了亚里士多德在力和运动这个方面上面所犯的错误，即力并不是维持物体运动的原因。而恰恰相反的是，如果在理想的条件下面，物体将维持其最初的状态，直到有外力的作用从而促使他改变其原有的运动状态。伽利略的这一系列的研究对后世的科学家们造成了很大的影响，后世的牛顿曾经说过这样的一句话：“我所以有这样的成就，是因为我站在了巨人们的肩膀上面。”恰恰是伽利略的斜面实验的研究，对牛顿的牛顿第一和第二定律提供了正确的思维方式，而伟大的爱因斯坦对伽利略的评价则更高，他说：“他的发现以及他所应用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的真正开端。”伽利略对于后世的最大的贡献便是他将严谨的研究方法带进了自然科学的研究之中，并将具有强逻辑性和强严谨性的数学与实验相结合，通过观察到推理最后回归到观察，用实验来检验自己的推断。回归了阿基米德时期的哲学思想方式。虽然后世的人对伽利略的评价很高，但是当时的人们却还是坚定地信奉着亚里士多德思想并且拒绝伽利略的发现与发明。但是世俗的反对并没有动摇伽利略追求真理的信心，他更加确信自己在科学上面走的这条的严谨思考，反复试验的道路是对的。4 在天文学方面的发现 新的发现总是建立在新的实验设备的基础上面，而伽利略无疑在动手能力这一方面有着惊人的天赋。在得知荷兰有一位镜片商人发现了可供远程观看的镜片之后，伽利略在自己的小实验室里面改进了望远镜，并将其目光伸向了浩瀚的宇宙，他观察了月球，发现了月球表面的凹凸不平并亲手绘制了第一幅月面图。在1610年发现了木星的四颗卫星，为哥白尼的学说找到了确凿的证据，借助了望远镜，伽利略还先后发现了土星光环、太阳黑子、太阳的自转等等现象，并出版了一系列的书籍，这些书籍都预示着伽利略开创了天文学的新篇章。伽利略的成就在于他抛弃了亚里士多德学派的唯心主义，而是回归到了阿基米德学派的唯物主义，借助科学的实践方法得出结论。而科学这门学科最需要的便是严密的实验方法，任何理论都之后在经过实验的验证之后才可以得知其的真实性和实用性，科学是在不断的质疑和修改中呈螺旋的方式向上发展的。任何真理都是从假设到实验推翻再到假设而慢慢的接近事实的真想的。若是在学习的过程中没有通过自己的大脑思考问题，没有在实践中将其验证，那么，那些看上去再怎么严密的理论推导都只会是纸上谈兵没有任何用处。科学的发展总是必然的而不是偶然的，在我们现在看来，伽利略的关于运动和力的发现好像都是来源于其的灵机一动，来源于其的对当时的“绝对真理”的不屑一顾和充满质疑，却忽略了在他之前和之后都出现了那样的一些天才人物，他们默默无闻，但是却对伽利略之后的成就作出了很多至关重要的铺垫