前面一篇文章中有一个实验,这里想要仔细的解说一下。

伽利略斜面实验目的及结论(伽利略的斜面实验的疑问)(1)

如标题所说,是伽利略的斜面实验,这里稍微多说一句,伽利略通常被认为是近代科学的开端。他的探究问题的方法至今还是有很多的应用场景。这里就是通过对实验的解说来复盘重现一下思考的过程。

先上实验

伽利略斜面实验目的及结论(伽利略的斜面实验的疑问)(2)

在轨道的一边释放一颗钢珠,如果忽略摩擦力带来的影响,我们发现钢珠从左边滚下后,再从右边的斜面滚上,钢珠将上升到与左边释放高度相同的点;若将右边的倾斜角减小,钢珠还是上升到原来的高度,但通过的路程比原来更长;假设右边的轨道为水平,钢珠想要达到原来的高度,但是钢珠无法达到原来的高度,钢珠将永远运动下去。

伽利略斜面实验目的及结论(伽利略的斜面实验的疑问)(3)

首先,我们可以参考一些我们生活中常见的场景,比如说,荡秋千亦或是钟摆。还有比如喜欢运动的滑板场地,都有类似的情景,秋千在来回荡的过程通常会越来越低,得有一个人站在后面每次推一下,这样才能荡的时间比较长。

伽利略斜面实验目的及结论(伽利略的斜面实验的疑问)(4)

钟摆也需要经历一段时间后重新调整钟摆的高度,不然就停下来了。

伽利略斜面实验目的及结论(伽利略的斜面实验的疑问)(5)

借以参考现实中的情况,对于开头图中,甲的情况是当小球从左边滚下来是不可能滚动到右边相同的高度的。

伽利略斜面实验目的及结论(伽利略的斜面实验的疑问)(6)

那么问题来了,这里我们是如何处理这种问题呢?

这里可把问题分解一下,首先是实验的问题,这个是毋庸置疑的。不可能到相同的高度。再者就是,可以稍微探究一下,是什么原因导致每次都低一点呢?

伽利略斜面实验目的及结论(伽利略的斜面实验的疑问)(7)

这里其实可以再设计一个实验,就我们的生活经验来看,秋千在荡的过程,每次下降的高度是不太一样的,比如,在比较高的时候,高度下降的比较快,在比较低的时候反而降的慢,可以来回荡很多回。那回到这个实验,我们可以尝试准备,比较粗糙的轨道和比较光滑的轨道,实在不行,在抹点油【在这里我们的手段尽可能的从经验出发】哪怕就是经验也会告诉我们,比较光滑的轨道小球到达右边的高度会较高一些。如果想要探究的更深一点,可以尝试不同的材料,总会得出更高的高度。应该也不会高出原来的高度。

伽利略斜面实验目的及结论(伽利略的斜面实验的疑问)(8)

到了这里,其实可以得出一个结论,那就是不管如何改善实验的条件,小球是无论如何也到不了原来的高度,可改变的就只有不断的提高右边能够到达的高度。这貌似就很无奈了,一般来说我们对自然的印象是固定的,而这个实验的结果是右边的小球会上升到接近原来的高度,至于说有多接近,或许会接近到难以测量。

理性来说,能得到这个结果已经很不错了,但是这个是一个不能称之为结果的结果。因为依然得到了一个不确定的答案。

伽利略斜面实验目的及结论(伽利略的斜面实验的疑问)(9)

上面就是实验和实验能够得到的比较好的结果了。接下来就可以思考和处理上面的事情了,首先这个结果不是太能够接受的。那么接下来就通过逻辑思考的方式来对问题进行一个思考。

第一个思路,那就是这个过程是在不断减少阻力的情况下得到的结果,那么是不是可以假设如果把这个阻力减少直到到没有的情况下,小球到达右边的时候还会上升一点的高度,到达原来的高度。这种思路貌似是可行的,但是还不够严谨。(这是极限思想)

第二个思路就是,宏观来看,小球的情况是接近原来的高度,是不是就可以假设小球有上升到原来高度的潜质,导致小球有不断冲击到原来的高度,而这种潜质因为阻力消耗了部分。(后面的能量守恒)

伽利略斜面实验目的及结论(伽利略的斜面实验的疑问)(10)

听懂掌声

到了这里,不妨大胆想象一下,就默认小球在无阻力的情况可以到达相同的高度。实际上,在这里的处理方法是在考察实验的情况对实验的结果做适当的延伸,来得到一个理想的结果。至于这个结果是不是正确的在这里的纯逻辑的角度下是很证明的。但是,可以在后续的讨论中,以这个为基础,如果从它推出的结果是正确的,那么可以间接的证明这个的假设是合理的。

以上就得出了一个结论,那就是小球从左侧滚来了,在非常理想的情况下(无阻力,无干扰)滚动到右侧的时候可以达到相同的高度。

伽利略斜面实验目的及结论(伽利略的斜面实验的疑问)(11)

那么在理想情况下,如果将右边的斜边缓慢的降低角度直到平铺,由于小球无法达到原来的高度,因此也会一直向右边运动下去。

观察小球在右边的运动,也就是得出一个结论,在无干扰的情况下,小球将一直做直线运动,

ⅰ:理想情况速度是不会增加的,(如果增加,那么在上述实验过程小球在到达右边的时候会高过原来的高度)

ⅱ:理想情况速度是不会减少的,(如果减少,那么在实验中小球会停下来,在推理过程中小球不会停下)

因此也可以推导出牛顿第一定律,在没有外界干扰的情况物体会做匀速直线运动或者静止。

证明完毕。

伽利略斜面实验目的及结论(伽利略的斜面实验的疑问)(12)

牛顿第一定律是相对难以理解的,一度也被称为理想定律,其实是因为在现实中,很难通过实验来对定律进行验证,在我们身边找不到不受干扰的情况,在对第一定律的直接验证试验是在宇宙飞船空间站中进行的验证。

伽利略斜面实验目的及结论(伽利略的斜面实验的疑问)(13)

第一定律在平时的使用其实也不多,更多的好像可以来解释一些事情,其实,第一定律的作用是奠定了经典物理的基础,因为,他还有一个名字叫惯性定律,给出了在没有干扰的情况下物体的状态,使得后面的物理问题研究和对物理量的测量有了一个明确的标杆,从此有了参考系的概念。

今天就到这里,如果各位感兴趣或者有期待就请点击关注

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