擺的秘密——實(shí)驗(yàn)記錄表.doc

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1、《伽利略與擺》科學(xué)故事??　人類生活在時(shí)間的長(zhǎng)河中，一直探索測(cè)量時(shí)間的方法。古人發(fā)明了用沙漏、水鐘等測(cè)量時(shí)間的裝置，到了17世紀(jì)還在沿用這種計(jì)時(shí)手段。1656年，惠更斯制造出人類歷史上第一個(gè)擺鐘，使人類對(duì)時(shí)間的測(cè)量進(jìn)入嶄新的時(shí)代。擺鐘是利用單擺的等時(shí)性原理測(cè)量時(shí)間的。那么，單擺的等時(shí)性是如何發(fā)現(xiàn)的呢？下面就講一講這個(gè)故事。最初的發(fā)現(xiàn)　1564年2月15日，偉大的物理學(xué)家伽利略出生于意大利比薩城的一個(gè)沒(méi)落貴族家庭。他出生不久，全家就移居到佛羅倫薩近郊的一個(gè)地方。在那里，伽利略的父親萬(wàn)桑佐開(kāi)了一個(gè)店鋪，經(jīng)

2、營(yíng)羊毛生意?！『⑻釙r(shí)的伽利略聰明可愛(ài)，活潑矯健，好奇心極強(qiáng)。他從不滿足別人告訴的道理，喜歡親自探索、研究和證明問(wèn)題。對(duì)于兒子的這些表現(xiàn)，萬(wàn)桑佐高興極了，希望伽利略長(zhǎng)大后從事既高雅、報(bào)酬又豐厚的醫(yī)生職業(yè)，1581年，萬(wàn)桑佐就把伽利略送到比薩大學(xué)學(xué)醫(yī)?？墒牵だ詫?duì)醫(yī)學(xué)沒(méi)有興趣，他卻把相當(dāng)多的時(shí)間用于鉆研古希臘的哲學(xué)著作，學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和自然科學(xué)?！≠だ允且晃或\(chéng)的天主教徒，每周都堅(jiān)持到教堂做禮拜。1582年的一天，伽利略到教堂作禮拜。禮拜開(kāi)始不久，一位修理工人不經(jīng)意觸動(dòng)了教堂中的大吊燈，使它來(lái)回?cái)[動(dòng)。擺動(dòng)著

3、的大吊燈映入了伽利略的眼簾，引起他的注意。伽利略聚精會(huì)神地觀察著，腦海里突然閃出測(cè)量吊燈擺動(dòng)時(shí)間的念頭，憑著學(xué)醫(yī)的經(jīng)驗(yàn)，伽利略把右手指按到左腕的脈搏上計(jì)時(shí)，同時(shí)數(shù)著吊燈的擺動(dòng)次數(shù)。起初，吊燈在一個(gè)大圓弧上擺動(dòng)，擺動(dòng)速度較大，伽利略測(cè)算來(lái)回?cái)[動(dòng)一次的時(shí)間。過(guò)了一陣子，吊燈擺動(dòng)的幅度變小了，擺動(dòng)速度也變慢了，此時(shí)，他又測(cè)量了來(lái)回?cái)[動(dòng)一次的時(shí)間。讓他大為吃驚的是，兩次測(cè)量的時(shí)間是相同的。于是伽利略繼續(xù)測(cè)量來(lái)回?cái)[動(dòng)一次的時(shí)間，直到吊燈幾乎停止擺動(dòng)時(shí)才結(jié)束?？墒敲看螠y(cè)量的結(jié)果都表明來(lái)回?cái)[動(dòng)一次需要相同的時(shí)間。通

4、過(guò)這些測(cè)量使伽利略發(fā)現(xiàn)：吊燈來(lái)回?cái)[動(dòng)一次需要的時(shí)間與擺動(dòng)幅度的大小無(wú)關(guān)，無(wú)論擺幅大小如何，來(lái)回?cái)[動(dòng)一次所需時(shí)間是相同的。即吊燈的擺動(dòng)具有等時(shí)性，這就是伽利略最初的發(fā)現(xiàn)。伽利略的脈搏儀伽利略帶著初次發(fā)現(xiàn)的喜悅回到自己的房間，但是他并沒(méi)有就此罷休。伽利略是一位十分認(rèn)真又喜歡研究問(wèn)題的人，根本不會(huì)滿足只從一次實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)果。對(duì)于自然現(xiàn)象，他總是反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)嚴(yán)密推理探索客觀規(guī)律，對(duì)單擺規(guī)律的研究也是如此。伽利略回到房間后，到處尋找實(shí)驗(yàn)所需要的東西。他找來(lái)絲線、細(xì)繩、大小不同的木球、鐵球、石塊、銅球

5、等實(shí)驗(yàn)用品，在他的桌子上堆滿了這些“亂七八糟”的東西。伽利略用細(xì)繩的一端系上小球，將另一端系在天花板上，這樣就做成了一個(gè)單擺。用這套裝置，伽利略繼續(xù)測(cè)量擺的擺動(dòng)周期。他先用銅球?qū)嶒?yàn)，又分別換用鐵球和木球?qū)嶒?yàn)。實(shí)驗(yàn)使伽利略看到，無(wú)論用銅球、鐵球，還是木球?qū)嶒?yàn)，只要擺長(zhǎng)不變，來(lái)回?cái)[動(dòng)一次所用時(shí)間就相同。這表明單擺的擺動(dòng)周期與擺球的質(zhì)量無(wú)關(guān)?？墒?，擺動(dòng)周期是由什么決定的呢？伽利略繼續(xù)從實(shí)驗(yàn)中尋找答案。伽利略首先做了兩個(gè)擺長(zhǎng)完全相等的單擺測(cè)量它們的周期，測(cè)量結(jié)果使他看到這兩個(gè)單擺的周期完全相等。他又做了十幾個(gè)

6、擺長(zhǎng)不同的擺，逐個(gè)測(cè)量它們的周期。實(shí)驗(yàn)表明：擺長(zhǎng)越長(zhǎng)，周期也越長(zhǎng)。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上通過(guò)嚴(yán)密的邏輯推理，伽利略證明了單擺的周期與擺長(zhǎng)的平方根成正比，與重力加速度的平方根成反比。這樣，伽利略不但發(fā)現(xiàn)了單擺的等時(shí)性，而且發(fā)現(xiàn)了決定單擺周期的因素。伽利略是一位善于解決問(wèn)題的科學(xué)家。發(fā)現(xiàn)了單擺的等時(shí)性，他就提出了應(yīng)用單擺的等時(shí)性測(cè)量時(shí)間的設(shè)想。此時(shí)伽利略想到醫(yī)生治病時(shí)經(jīng)常需要測(cè)量病人脈搏跳動(dòng)的快慢，只憑經(jīng)驗(yàn)測(cè)量往往出現(xiàn)較大誤差。能不能用單擺計(jì)時(shí)測(cè)量脈搏呢？于是伽利略親自制作了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的單擺測(cè)量脈搏的跳動(dòng)時(shí)間，使

7、用這種裝置測(cè)量比原來(lái)準(zhǔn)確得多。于是伽利略建議醫(yī)生診脈時(shí)使用這種裝置，不久這種裝置在當(dāng)時(shí)醫(yī)學(xué)界就十分流行了。這就是世界上最早的“脈搏儀”，它是伽利略為醫(yī)學(xué)做出的一個(gè)重要貢獻(xiàn)。由此可見(jiàn)，伽利略進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的目的主要是為了檢驗(yàn)一個(gè)科學(xué)假設(shè)是否正確,而不是盲目地收集資料,歸納事實(shí)。單擺的等時(shí)性有許多重要應(yīng)用。譬如，由于地球上不同地區(qū)的緯度和海拔高度不同，各地的重力加速度就有差異。用標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的單擺，測(cè)出它在某地的擺動(dòng)周期，就能夠求出該地區(qū)的重力加速度。再如，重力加速度的大小與該地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，地下礦藏分

8、布會(huì)引起它的微小變化。因此，通過(guò)測(cè)量重力加速度可以發(fā)現(xiàn)地下礦產(chǎn)資源，這種方法叫重力探礦，在這一領(lǐng)域單擺也發(fā)揮著重要作用。伽利略敢于向傳統(tǒng)的權(quán)威思想挑戰(zhàn)，不是先臆測(cè)事物發(fā)生的原因，而是先觀察自然現(xiàn)象，由此發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律。他摒棄神學(xué)的宇宙觀，認(rèn)為世界是一個(gè)有秩序地服從簡(jiǎn)單規(guī)律的整體，要了解大自然，就必須進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)定量觀測(cè)，找出它的精確的數(shù)量關(guān)系?；谶@樣的新的科學(xué)思想，伽利略倡導(dǎo)了數(shù)學(xué)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法；這種研究方法是他在科學(xué)上取得偉大成就的源泉，伽利