伽利略钟摆.doc

图1 伽利略观察吊灯 制造更精确的计时工具的关键是寻找时间间隔更小的周期性现象，然后通过一定的技术手段，利用这种周期性变化制作计时的工具。 伽利略是一位伟大的物理学家，1564年诞生于意大利的比萨。小时候，伽利略就常常不满足别人告诉的道理，而是喜欢亲自探索、研究和证明问题。他的父亲希望伽利略长大后从事既高雅、报酬又丰厚的医生职业，可是，伽利略对医学没有兴趣，他却把相当多的时间用于钻研古希腊的哲学著作，学习数学和自然科学。 图2 伽利略 据说，有一次伽利略到教堂作礼拜，礼拜开始不久，一位工人给教堂中的大吊灯添加灯油时，不经意触动了吊灯，使它来回摆动。摆动着的大吊灯映入了伽利略的眼帘，引起他的注意。伽利略聚精会神地观察着，他感觉到吊灯来回摆动的时间好像是相等的。伽利略知道人的脉搏是均匀跳动的，于是，他利用自己的脉搏计时，同时数着吊灯的摆动次数。起初，吊灯在摆动的幅度比较大，摆动速度也比较大，伽利略测算了来回摆动一次的时间。过了一会儿，吊灯摆动的幅度变小了，摆动速度也变慢了，此时，他又测量了吊灯来回摆动一次的时间。让他大为吃惊的是，两次测量的时间是相同的。于是伽利略继续测量来回摆动一次的时间，直到吊灯几乎停止摆动时才结束。可是每次测量的结果都表明来回摆动一次需要相同的时间。通过这些测量使伽利略发现：吊灯来回摆动一次需要的时间与摆动幅度的大小无关，无论摆幅大小如何，来回摆动一次所需时间是相同的，也就是说吊灯的摆动具有等时性，或者说具有周期性。 伽利略是一位十分认真又喜欢研究问题的人，根本不会满足只从一次实验中得到的结果。对于自然现象，他总是反复进行实验研究，探索其中蕴藏的奥秘。他想，吊灯摆动的快慢（也称为摆动的周期）可能跟哪些因素有关呢？ 通过在教堂中的观察，伽利略已经知道，摆动的周期跟摆动幅度无关。他猜想，是否跟吊灯的轻重有关呢？是否跟吊绳的长短有关呢？还有没有其他因素呢？ 为了模拟吊灯的摆动，他找来丝线、细绳、大小不同的木球、铁球、石块、铜球等实验材料，用细绳的一端系上小球，将另一端系在天花板上，这样就做成了一个摆。用这套装置，伽利略继续测量探索摆动的周期。他先用铜球实验，又分别换用铁球和木球实验。实验使伽利略看到，无论用铜球、铁球，还是木球实验，只要摆长不变，来回摆动一次所用时间就相同。这表明单摆的摆动周期与摆球的质量无关。伽利略又做了十几个摆长不同的摆，逐个测量它们的周期。实验表明：摆长越长，周期也越长，摆动得就越慢。 图3 惠更斯制作的摆钟 单摆等时性的发现，奠定了制造摆钟的坚实基础，为人类更加精确地测量时间开辟了道路。伽利略就曾经提出利用单摆的等时性制造钟表，并且让他的儿子维琴佐和维维安尼设计了制造钟表的图纸，但是，他们却没有把钟表制造出来。后来，荷兰物理学家惠更斯从理论和实验两个方面进行了大量研究，得出了单摆的周期公式，并不断改进技术，于1656年制造出人类有史以来第一个摆钟，使伽利略制造钟表的设想变为现实。惠更斯把制造的“有摆落地大座钟”献给了荷兰政府。1657年，他取得了摆钟的专利权。右图为惠更斯研制的摆钟。 相关链接 自从摆钟问世以来，钟表经历了几代的变迁。人们不断改变钟表的制造技术，使它的精密度越来越高。从摆钟到座钟，从壁钟到挂钟，从怀表到各种各样的手表，从机械钟到电子钟，又从电子钟到原子钟，可谓变化万端。但是钟表运行的原理都是利用了某种周期性现象。摆钟靠摆锤的摆动计时，机械手表靠摆轮和游丝计时，电子表靠电磁振动计时，石英钟靠石英晶体的振动计时，原子钟靠电子在原子内跃迁时发光的频率来计时，它的振动频率最稳定，已成为世界上精度最高的钟。 对我们的启示 通过上面的探究过程我们可以发现，测量时间首先要确定时间的标准，也就是找到周期性现象的周期。同样，其他物理量的测量也是如此。测量长度，要先确定长度标准；测量质量，要先确定质量标准；测量温度，要先确定温度标准，等等。然后根据这些标准就可以制造出相应的测量工具，使我们在生活和实验室中方便的测量这些物理量了。这真是，看似简单的钟表、刻度尺、温度计里面，还蕴含着这么多的道理呢！ 伽利略把观察和实验引入到问题研究中来，建立起了科学的物理学，使伽利略成为物理学的创始人。摆钟的诞生标志着人类对时间的测量