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1.4 伽利略坐标

众所周知,伽利略—牛顿力学的基本定律,即惯性定律的表述如下:一个自由质点永远以恒定的速度运动,或者说,一质点在离他物足够远时,一直保持静止状态或匀速直线运动状态。惯性定律谈到了物体的运动,并且指出了可在力学描述中加以应用的,且不违反力学原理的参考物体或坐标系。相对于可见的恒星,惯性定律在相当高的近似程度上能够成立。我们现在如果使用一个与地球牢固连接的坐标系,那么,相对于该坐标系,每一恒星在一个天文日中的运行轨线都是一个具有莫大半径的圆,这个结果与惯性定律的陈述相反。因此,如果我们必须遵循惯性定律的原则来考察恒星的运动,就只能参照恒星 在其中不做圆周运动的坐标系。若惯性定律对于一坐标系的运动状态而言是成立的,该坐标系即为“伽利略坐标系”。伽利略—牛顿力学诸定律只有对于“伽利略坐标系”来说才能认为是有效的。

伽利略和他的望远镜 油画 17世纪

1608年6月的一天,伽利略根据一个荷兰人的研究,反复琢磨,不断改进,最后创造出了可以将原物放大32倍的望远镜。伽利略几乎每天晚上都会用自己的望远镜对向天空,探索宇宙的奥秘。他发现,银河是由许多小行星汇聚而成的;他还发现,太阳里面有黑点,这些黑点的位置不断地变动。因此,他断定太阳本身也在自转。

相关问题 惯性定律和伽利略

惯性定律即牛顿第一定律,它的发现者并不是牛顿而是伽利略。

两千年以前,人们已经提出了运动和力的关系问题。亚里士多德从对一些运动的观察中得出结论:必须有一个恒定的力作用在物体上,物体才能够以恒定的速度运动,没有力的作用,物体就静止下来。在他看来,力就是物体运动的原因。在此之后很长一段时间内,人们对运动和力的关系的认识一直徘徊不前。

17世纪,伽利略大胆断定:一个物体具有某一速度,只要没有加速或减速,这个速度将保持不变。也就是说,当没有外力作用于物体时,物体将保持静止或做匀速直线运动。在伽利略看来,力并不是物体运动的原因,而是运动状态发生变化的原因。

伽利略着重研究了物体在斜面上的运动。他注意到物体沿斜面向下运动时,速度不断加快,沿斜面向上运动时,速度不断减慢。根据这一事实,伽利略认为,在没有倾斜的水平面上,物体的运动应当是没有加速也没有减速,也就是说速度应当是不变的。当然,伽利略知道,这种水平运动的速度实际上并不是不变的,而是逐渐减小的,这是因为物体受到了摩擦力的阻碍。摩擦力越小,物体以接近于恒定速度运动的时间就越长,在没有摩擦的理想情况下,物体将以恒定的速度持续运动。

伽利略 佚名 油画 17世纪

伽利略是意大利伟大的物理学家和天文学家,科学革命的先驱。历史上,他首先在科学实验的基础上融会贯通了数学、物理学和天文学三门知识,扩大、加深并改变了人类对物质运动和宇宙的认识。

现在,惯性定律可以用实验设备近似地得到证明:把物体放在一个导轨上,并使物体和导轨之间形成气层,和气垫船的道理一样,物体沿导轨运动时摩擦可以减到很小,这时推动一下物体,可以使得物体的运动很接近匀速直线运动。当然,惯性定律的正确性主要还在于它所推出的结论都与实验结果相符。伽利略的观点后来由牛顿总结为运动第一定律,所以说牛顿第一定律就是伽利略最早发现的惯性定律。

伽利略和他的科学发现

伽利略 (1564—1642年) ,意大利天文学家、力学家、哲学家。

18岁那年的一天,伽俐略到比萨教堂去做礼拜。他注意到教堂里悬挂的那些长明灯被风吹得忽左忽右,做着有规律的摆动。他按自己脉搏的跳动来计时,发现它们往复运动的时间是相等的。就这样他发现了摆的等时性。后来荷兰物理学家惠更斯根据这个原理制成挂摆时钟,人们称之为“伽利略钟”。

伽利略根据阿基米德学说,作了迅速确定合金成分的流体静力天平的研究,发明了可以测定物质密度的“小天平”,写出了名为《小天平》的论文。1588年,他又发表了《固体的重心》,引起学术界的注意。1589年,经友人的推荐,伽利略被比萨大学聘为数学教授。

亚里士多德认为,两个物体以同一高度下落,重的比轻的先着地。伽利略经过反复研究与实验,得出了与之截然相反的结论:物体下落的快慢与重量无关。1590年,伽利略在比萨斜塔公开做了落体实验,验证了亚里士多德的说法是错误的,使统治人们思想长达两千多年的亚里士多德的学说第一次发生动摇。而应邀前来观看的一些著名学者却否认自己的亲眼所见,他们群起攻击伽利略。1591年,伽利略被比萨大学解聘。

1592年,伽利略来到威尼斯帕多瓦大学任教,开始了他科学生涯的黄金时期。在这一时期,他研究了大量物理学问题,如斜面运动、力的合成、抛射体运动等。他还对液体与热学作了研究,发明了温度计。1608年,伽利略制成了天文望远镜。通过天文望远镜,他发现:月球的表面凹凸不平,有高山深谷;木星有四颗卫星围绕它旋转;金星和月亮一样有盈有亏;土星有光环;太阳有黑子,能自转;银河是由千千万万颗暗淡的星星所组成。这些发现为哥白尼、布鲁诺的观点提供了有力证据,沉重打击了教会的信条。

1632年1月,伽利略在佛罗伦萨出版了《关于托勒密和哥白尼的两大世界体系的对话》。他在书中用三位学者对话的形式,作了四天谈话。讨论了三个问题:①证明地球在运动,②充实哥白尼学说,③地球的潮汐。《对话》总结了伽利略长期科研实践中的各种科学发现,宣告了托勒密地心说的破产,动摇了教会的最高权威,从而推动了唯物论的发展。这部著作一经出版便受到广大读者欢迎,但遭到了罗马教会的反对,伽利略因此受到长期监禁。

1636年,伽利略在监狱中偷偷地完成了他一生中另一部伟大的著作《关于力学和运动两种新科学的对话》。该书于1638年在荷兰出版。这部伟大著作同样是以三人对话形式写的。“第一天”是关于固体材料强度的问题,反驳了亚里士多德关于落体的速度依赖于其重量的观点;“第二天”是关于内聚作用的原因,讨论了关于杠杆原理的证明及梁的强度问题;“第三天”讨论了匀速运动和自然加速运动;“第四天”是关于抛射体运动的讨论。这一巨著从根本上否定了亚里士多德的运动学说。

伽利略说:“这是第一次为新的方法打开了大门,这种将带来大量奇妙成果的新方法,在未来必将博得许多人的重视。”后来,惠更斯继续了伽利略的研究工作,导出了单摆的周期公式和向心加速度的数学表达式。牛顿在系统总结了伽利略、惠更斯等人的工作后,得到了万有引力定律和牛顿运动三定律。

爱因斯坦说:“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,标志着物理学的真正开端!” awv3lAdVcRMbd07ZbpJk25FQ3O9l7mlV+GwrkVEIi5YYvT1wVoRPnEGOjCP4X83Q

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