伽利略斜面与牛顿大炮

1、伽利略斜面与牛顿大炮我们知道 ,力的作用效果之一是力能改变物体的运动状态。假设物体不受力作用时 ,物体将怎样运动？可能你会想：物体不受力 ,物体当然要保持静止。比方 ,“用力推车 ,车子才前进；停止用力 ,车子就要停下来。这种观点对吗？在物体运动原因的研究中 ,长期以来人们的经验是 ,要改变一个静止物体的位置 ,必须推它、提它或拉它。因此人们直觉地认为 ,物体的运动是与推、提、拉等动作相联系的 ,深信要使一个物体运动得更快 ,必须用更大的力推它、提它或拉它 ,当推、拉物体的力不再作用时 ,原来运动的物体便静止下来。根据这类经验事实 ,亚里士多德得出结论：静止是水平地面上物体的“自然状态或“自然

2、本性 ,必须有力作用在物体上 ,物体才能运动；没有力的作用 ,物体就要静止下来。然而 ,亚里士多德的这个结论是错误的 ,并且由于亚里士多德的权威 ,这种错误认识被维持了近两千年。直至三百多年前 ,伽利略才创造了有效的方法和技术 ,揭示了现象的本质。伽利略认识到 ,将人们引入歧途的是摩擦阻力 ,而这又是人们在日常观察物体运动时难以完全防止的。伽利略注意到 ,当一个球沿斜面向下滚时 ,它的速度增大 ,而向上滚时 ,它的速度减小。由此他推论 ,当球沿水平面滚动时 ,它的速度应不增不减。实际上他也发现 ,球愈来愈慢 ,最后停下来。伽利略认为 ,这并非是它的“自然本性 ,而是由于摩擦阻力的缘故 ,因为他

3、同样还观察到 ,外表愈光滑 ,球便会滚的愈远。于是他推论 ,假设没有摩擦阻力 ,球将永远滚下去。1632年伽利略的实验如图1所示 ,让小球沿一个斜面从静止状态开始下滚 ,小球将滚上另一个斜面 ,到达与原来差不多的高度然后再下滚。他推论 ,只是因为摩擦力 ,球才没能到达原来的高度。然后 ,他减小后一斜面的倾角 ,小球在这个斜面上仍到达同一高度 ,但这时它要滚得远些。继续减小第二个斜面的倾角 ,球到达同一高度就会滚得更远。于是他设想：假设将后一斜面放平 ,球会滚多远?结论显然是球将永远滚下去。这就是说 ,力不是维持物体运动即维持物体的速度的原因 ,而恰恰是改变物体运动状态即改变物体速度的原因。这一

4、结论 ,打破了自亚里士多德以来二千多年间关于“受力运动的物体 ,当外力停止作用时便归于静止这一类陈旧观念。这只是一个理想实验 ,因为摩擦是永远无法消除的。后来这个结论被牛顿总结为牛顿第一定律 ,为近代力学的建立奠定了根底。伽利略把实验观察和抽象思维结合起来 ,找到了深入理解运动问题的真正线索 ,是他研究工作的卓越之处。爱因斯坦称赞道：“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开端。理想实验是研究物理规律的一种重要的思想方法 ,它以大量可靠的事实为根底 ,以真实的实验为原型 ,通过合理的推理得出物理规律。理想实验能深刻地揭示物理规律的本质。你是

5、否理解并掌握了“理想实验的思想 ,请试一试吧。1如图2所示 ,在 “探究运动和力的关系实验中 ,让小车每次从斜面的同一高度处由静止滑下 ,滑到铺有粗糙程度不同的毛巾、棉布、木板的平面上 ,小车在不同的水平面上运动的距离如图2所示。问：让小车每次从斜面的同一高度处由静止滑下的目的是什么？通过分析可知：平面越光滑 ,小车受到的摩擦力就越 ,小车前进的距离就越。根据实验结果推理可得：假设接触面完全光滑 ,即水平方向不受外力作用 ,轨道足够长 ,小车将一直做运动。可见 ,力不是使物体运动的原因 ,力是改变物体的原因。2牛顿曾研究过这样一个问题：他发现人掷出去的石头总会偏离掷出方向落回地面 ,于是牛顿提

6、出了一个“大炮的设想 ,图3 是他画的“大炮草图在地球的一座高山上架起一只水平大炮 ,以不同的速度将炮弹平射出去 ,射出速度越大 ,炮弹落地点就离山脚越远。他推想：当射出速度足够大时 ,炮弹将会如何运动呢？牛顿通过科学的推理得出了一个重要的结论。这就是著名的“牛顿大炮的故事 ,故事中牛顿实际也用到了理想实验的研究方法。1研究中牛顿基于的可靠事实是。2根据以上资料和牛顿的“大炮草图 ,推测牛顿当年的重要结论是。如今 ,牛顿当年的推测已变成了现实 ,人们应用他的推论 ,利用现代科技制成了。3想想看 ,初中物理学习中 ,你在研究什么问题时用到过理想实验的方法？请举一例并说明你的研究过程。参考答案：1让小车进入水平面时有相同的速度小 长匀速直线 运动状态2人掷出去的石头总会偏离掷出方向落回地面.当抛出物体的速度足够大时 ,