关于自由落体分析.doc

关于组织者作业 《两个铁球同时着地》的背景
　　　据说，1590年意大利伟大的科学家伽俐略，曾在斜塔上做过著名的自由落体运动实验。他使两个重量不等的铁球从塔顶垂直自由落下，结果同时着地，从而一举推翻了古希腊著名学者亚里士多德关于重量不同的物体，其下落的速度也不同的定理。由此，比萨斜塔更加名噪全球。

古希腊哲学家亚里士多德认为，重的物体比轻的物体下落的要快。这符合人们的常识，如玻璃弹子就比羽毛落得快。伽俐略认为：下落速度与重量无关，所有物体下落速度都相同。很多人反对这个观点，为了让人们相信，伽俐略跑到比萨斜塔上扔下两个不同重量的铁球，结果两个铁球同时着地，于是伽俐略胜利了。

这个故事很可能是没有根据的。首先，当时没有理想的计时工具，伽俐略发现摆的等时性时是用自己的脉搏记时的，可见当时科学仪器的缺乏。如果做这个实验，很难做到让两个球同时抛出，即使做到了同时抛出，落地时间也无法准确判断；其次，空气阻力会对球的下落产生影响，玻璃弹子比羽毛下落得快就是因为空气阻力对羽毛下落的影响较大。两个铁球受空气阻力影响，落地时间很可能不一样，实验结果对伽俐略不利。所以，在伽俐略本人留下的记录中，没有任何地方提到比萨斜塔实验。

实际上，伽俐略批评亚里士多德的理论是从逻辑推理开始的。他设想一个重物（如铁球）与一个轻物（如木球）同时下落，按亚里士多德的理论，当然是铁球落得快，木球落得慢。现在，试想把铁球与木球绑在一起，同时抛出，会发生什么情况呢？一方面，铁球和木球组成了一个比铁球更重的物体，应当下落的比铁球更快；另一方面，铁球下落被木球拖住，其速度应该介于铁球与木球之间。这样，从同一个理论推出了互相矛盾的两个结论，所以，亚里士多德的理论是值得怀疑的。正确结论应当是：下落速度与重量无关。

伽俐略这位真正的近代实验之父，近代实验科学的创造者，并不满足于逻辑推理，他要用实验来验证他的设想。但不是跑到比萨斜塔抛下两个铁球，而是在室内用精心设计的斜面做实验。他做了很多不同坡度的斜面，斜面尽可能光滑。然后在不同斜面上滚下各种重量的铜球，他发现，物体从斜面上滚下，作加速度运动。但只要斜面坡度不变，无论什么重量的铜球滚下，加速度都一样；加速度与重量无关，但与坡度有关，斜面越陡，加速度越大，斜面越平，则加速度越小。在极限情况下，斜面完全水平，加速度为零，物体若不受外力，他就应该永远沿直线作匀速运动，这实际上就是牛顿第一定律；如果斜面完全垂直，就相当于自由落体，这时加速度最大，但对无论什么重量的物体，加速度都一样。

伽俐略做比萨斜塔实验这一传闻来自伽俐略晚年的学生维维安尼，他在写伽俐略的传记中提到伽俐略曾做此实验。但历史学家考证，没有任何理由表明伽俐略做过这一实验。值得一提的是，1586年荷兰物理学家斯台文用两个大小不同重量比为1：10的铅球，让它们从高30英尺的高度落下，结果两者几乎同时落在地面的木板上，围观者可以听到两个铅球撞击木板时发出的声音。1612年，一位亚里士多德派的物理学家为了反驳伽俐略，真的在比萨斜塔做了一个实验，结果表明，相同的材料但重量不同的物体并不是在同一时刻到达地面。伽俐略在《两门新科学》中对此有一个辩护，意思是说，重量1：10的两个物体下落时只差一个很小的距离，可亚里士多德却说相差10倍。为什么忽视亚里士多德如此重大的失误却盯住我小小的误差不放呢？这也表明伽俐略没有做那个实验。