Физические опыты Галилея

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ УПРАВЛЕНИЯ И ЭКОНОМИКИ

ФАКУЛЬТЕТ СОЦИАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине: Концепция современного естествознания

на тему: «Физические опыты Галилея»

Выполнил студент

4 курса   

Группы 1233/2-4

Зыгмант О.В.

Санкт-Петербург

2012 год

Оглавление

1.      Физические опыты Галилео Галилея…………………………..стр.3

2.      Список литературы……………………………………………...стр. 14

Физические опыты Галилео Галилея

" Я предпочитаю найти одну истину,

хотя бы и в незначительных вещах,

ежели долго спорить о величайших вопросах,

не достигая никакой истины".
Галилео Галилей

     Галилео Галилей итальянский философ, астроном, физик, изобретатель, конструктор. Родился 15 февраля 1564 года в Пизе. В этом городе до 11 лет в биографии Галилео Галилея проходило обучение в школе. Затем переехал во Флоренцию, где учился в монастыре бенедиктинцев. После этого в жизни Галилея произошло поступление в Пизанский университет. Там на протяжении трех лет он изучал медицину, геометрию, философию, математику. Будучи не в состоянии оплатить обучение, вернулся во Флоренцию, где вскоре познакомился с маркизом Монте. Именно он содействовал поступлению Галилея в Болонский университет на работу преподавателем математики. Затем в биографии Галилея проходило преподавание в Пизанском, а позже в Падуанском университете. Здесь был один из самых плодотворных периодов для ученого. Труд «Механика» Галилея вышел в 1593 году. В нем физик Галилео Галилей описал свои исследования падающих тел, маятника, выдвинул новые принципы движения, в противовес динамике Аристотеля.

Является основоположником механики. Он экспериментально установил количественный закон падения тел в пустоте, согласно которому расстояния, проходимые падающим телом в одинаковые промежутки времени, относятся между собой, как последовательные нечетные числа. Г. Галилей установил законы движения тяжелых тел по наклонной плоскости, показав, что, падают ли тяжелые тела по вертикали или по наклонной плоскости, они всегда приобретают такие скорости, которые нужно сообщить им, чтобы поднять их на ту высоту, с которой они упали. Переходя к пределу, он показал, что на горизонтальной плоскости тяжелое тело будет находиться в покое или будет двигаться равномерно и прямолинейно. Тем самым он сформулировал закон инерции.  Складывая горизонтальное и вертикальное движения тела (это первое в истории механики сложение конечных независимых движений), он доказал, что тело, брошенное под углом к горизонту, описывает параболу, и показал, как рассчитать длину полета и максимальную высоту траектории. При всех своих выводах он всегда подчеркивал, что речь идет о движении при отсутствии сопротивления.

    Далее мы рассмотрим каждый из этих экспериментов в отдельности. Расскажем, в чем состояла их историческая цель, какие приборы и материалы использовались для постановки опытов, покажем принципиальные схемы опытных установок. Так же подробно поговорим о порядке проведения опытов, покажем результаты опытов и объясним их. Много тысячелетий назад люди наверняка замечали, что большая часть предметов падает все быстрее и быстрее, а некоторые падают равномерно. Но как именно падают эти предметы – этот вопрос никого не занимал. Откуда у первобытных людей должно было появиться стремление выяснить, как или почему? Если они вообще размышляли над причинами или объяснениями, то суеверный трепет сразу же заставлял их думать о добрых и злых духах. По мере своего развития человечество приобретало не только знания, но и предрассудки. Профессиональные секреты и традиции ремесленников уступили место организованному познанию природы, которое шло от авторитетов и сохранилось в признанных печатных трудах. Это было началом настоящей науки. Люди экспериментировали повседневно, изучая ремесла или создавая новые машины. Из опытов с падающими телами люди установили, что маленький и большой камни, выпущенные из рук одновременно, падают с одинаковой скоростью. То же самое можно сказать о кусках свинца, золота, железа, стекла, и т.д. самых разных размеров. Из подобных опытов выводиться простое общее правило: свободное падение всех тел происходит одинаково независимо от размера и материала, из которого тела сделаны.

     Две тысячи лет назад греки формулировали правила свободного падения тел и дали им объяснения, но эти правила и объяснения были малообоснованны. Некоторые древние ученые, по-видимому, проводили вполне разумные опыты с падающими телами, но использование в средние века античных представлений, предложенных Аристотелем (примерно 340 г. до н.э.), скорее запутало вопрос. И эта путаница длилась еще много столетий. Применение пороха значительно повысило интерес к движению тел. Но лишь Г. Галилей (примерно в 1600 г.) заново изложил основы баллистики в виде четких правил, согласующихся с практикой.

  Великий греческий философ и ученый Аристотель, по-видимому, придерживался распространенного представления о том, что тяжелые тела падают быстрее, чем легкие. Аристотель и его последователи стремились объяснить, почему происходят те или иные явления, но не всегда заботились о том, чтобы пронаблюдать, что происходит и как происходит. Аристотель весьма просто объяснил причины падения тел: он говорил, что тела стремятся найти свое естественное место на поверхности Земли. Описывая, как падают тела, он высказал утверждения вроде следующих: “…точно также, как направленное вниз движение куска свинца или золота или любого другого тела, наделенного весом, происходит тем быстрее, чем больше его размер…”, “…одно тело тяжелее другого, имеющего тот же объем, но движущегося вниз быстрее…”. Аристотель знал, что камни падают быстрее, чем птичьи перья, а куски дерева – быстрее, чем опилки.

     В XIV столетии группа философов из Парижа восстала против теории Аристотеля и предложила значительно более разумную схему, которая передавалась из поколения в поколение и распространилась до Италии, оказав двумя столетиями позднее влияние на Г. Галилея. Парижские философы говорили об ускоренном движении и даже о постоянном ускорении, объясняя эти понятия архаичным языком. Великий итальянский ученый Галилео Галилей обобщил имеющиеся сведения и представления и критически их проанализировал, а затем описал и начал распространять то, что считал верным. Г. Галилей понимал, что последователей Аристотеля сбивало с толку сопротивление воздуха. Он указал, что плотные предметы, для которых сопротивление воздуха несущественно, падают почти с одинаковой скоростью. Г. Галилей писал: “…различие в скорости движения в воздухе шаров из золота, свинца, меди, порфира и других тяжелых материалов настолько незначительно, что шар из золота при свободном падении на расстоянии в одну сотню локтей наверняка опередил бы шар из меди не более чем на четыре пальца. Сделав это наблюдение, я пришел к заключению, что в среде, полностью лишенной всякого сопротивления, все тела падали бы с одинаковой скоростью”. Предположив, что произошло бы в случае свободного падения тел в вакууме, Г. Галилей вывел следующие законы падения тел для идеального случая:
1. Все тела при падении движутся одинаково: начав падать одновременно, они движутся с одинаковой скоростью.
2. Движение происходит с “постоянным ускорением”; темп увеличения скорости тела не меняется, т.е. за каждую последующую секунду скорость тела возрастает на одну и ту же величину.

   Существует легенда, будто Г. Галилей проделал большой демонстрационный опыт, бросая легкие и тяжелые предметы с вершины Пизанской падающей башни (одни говорят, что он бросал стальные и деревянные шары, а другие утверждают, будто это были железные шары весом 0,5 и 50 кг). Описаний такого публичного опыта нет, и Г. Галилей, несомненно, не стал таким способом демонстрировать свое правило. Г. Галилей знал, что деревянный шар намного отстал бы при падении от железного, но считал, что для демонстрации различной скорости падения двух неодинаковых железных шаров потребовалась бы более высокая башня.

  Вопреки мнению Аристотеля, железные шары достигли поверхности Земли почти одновременно: бомба опередила шар всего на несколько дюймов. Эту разницу Г. Галилей объяснил наличием сопротивления воздуха. Такое объяснение было тогда принципиально новым. Дело в том, что со времен Древней Греции утвердилось следующее представление о механизме перемещения тел: двигаясь, тело оставляет за собой пустоту; природа же боится пустоты (существовал ложный принцип боязни пустоты). Воздух устремляется в пустоту и толкает тело. Таким образом, считалось, что воздух не замедляет» а, напротив, ускоряет тела. Г. Галилей определил ускорение свободного падения с большой ошибкой. В «Диалоге»  он утверждает, что шар падал с высоты 60 м в течение 5 с. Это соответствует значению g, почти в два раза меньшему истинного. Г. Галилей, естественно, не мог точно определить g, поскольку не имел секундомера. Песочные, водяные часы или изобретенные им часы с маятником не способствовали точному отсчету времени. Ускорение свободного падения было достаточно точно определено лишь Х. Гюйгенсом (Рис. 4) в 1660г. Чтобы достигнуть большей точности измерений, Галилей искал способы уменьшения скорости падения. Это и привело его к опытам с наклонной плоскостью.

   Важнейший момент состоит в том, что ускорение свободного падения не зависит от массы падающего тела. По сути, сила притяжения пропорциональна массе тела, но это полностью компенсируется большей инерцией, присущей более массивному телу (его нежеланию двигаться, если хотите), а посему (если не учитывать сопротивление воздуха) все тела падают с одинаковым ускорением. Это практическое заключение вступало в полное противоречие с умозрительными предсказаниями древних и средневековых натурфилософов, которые были уверены, что всякой вещи свойственно стремиться к центру мироздания (коим им, естественно, представлялся центр Земли) и что чем массивнее предмет, тем с большей скоростью он к этому центру устремляется.

   Чтобы достигнуть большей точности измерений закономерностей свободного падения, Галилей искал способы уменьшения скорости падения. Это и привело его к опытам с наклонной плоскостью. Своим основным выводом Галилей считал утверждение, что падающее тело проходит в последовательные равные промежутки времени отрезки, пропорциональные последовательным нечетным числам. Он хочет проверить это. Но как это сделать? Нельзя же продолжать кидать шары с Пизанской башни, да он и жил уже в Падуе. В лаборатории же падение происходит очень быстро. Но Галилей находит остроумный выход: он заменяет свободное падение более медленным движением тел по наклонной плоскости.

  Г. Галилей скатывал шарики из твердой бронзы по желобу, покрытому лощеным пергаментом. Конструкция желоба  была таковой, что можно было изменять угол наклона, что позволило Г.Галилею проводить опыт многократно, при разных наклонах желоба. Проведя серию подобных опытов, Г. Галилео удалось открыть множество интересных фактов и закономерностей.

  Он устанавливает важный факт, что скорость падения не зависит от длины, а зависит только от высоты наклонной плоскости. Далее он выясняет, что тело, скатившееся по наклонной плоскости с определенной высоты, поднимется на ту же высоту в отсутствие трения. Поэтому и маятник, отведенный в сторону, пройдя через положение равновесия, поднимется на ту же высоту независимо от формы пути. Таким образом, Г. Галилей по существу открыл консервативный характер поля тяготения. Что же касается времени падения, то оно в соответствии с законами равноускоренного движения пропорционально корню квадратному из длины плоскости. Сравнивая времена скатывания тела по дуге окружности и по стягивающей ее хорде, Г. Галилей находит, что тело скатывается быстрее по окружности. Он полагает, также, что время скатывания не зависит от длины дуги, т. е. дуга окружности изохронна. Это утверждение Г. Галилея справедливо только для малых дуг, но оно имело очень важное значение. Открытие изохронности колебаний кругового маятника Галилей использовал для измерения промежутков времени и сконструировал часы с маятником. Конструкцию своих часов он не успел опубликовать. Она была опубликована после его смерти, когда маятниковые часы уже были запатентованы Х. Гюйгенсом. Галилей утверждает, что падение тел происходит под действием силы тяжести, а тело, движущееся прямолинейно по горизонтальной плоскости само по себе сохранит свою скорость и направление и только вмешательство других тел (трение о плоскость, сопротивление воздуха) изменяет скорость движения его.

   В итоге Г. Галилей отверг древнегреческую классификацию механических движений. Он впервые ввел понятия равномерного и ускоренного движений и начал исследование механического движения путем измерения расстояний и времени движения. Опыты Галилея с равноускоренным движением тела по наклонной плоскости до сих пор повторяются во всех-школах мира.  Для обоснования этого положения Г. Галилей рассматривает движение тела по наклонной плоскости. Если тело движется вверх по наклонной плоскости, то оно замедляет свое движение, если же оно движется вниз, то ускоряет свое движение. «А как будет двигаться тело по горизонтальной плоскости?» – спрашивает он сам себя. Если ничто не будет мешать телу, то оно будет двигаться равномерно вдоль горизонтальной плоскости. Успех сражения во многом определялся точностью попадания в цель. При этом точный бросок камня, поражение противника летящим копьем или стрелой фиксировалось воином визуально. Это позволяло (при соответствующей тренировке) повторять свой успех в следующем сражении.

  Значительно возросшая с развитием техники скорость и соответственно дальность полета снарядов и пуль сделали возможными дистанционные сражения. Однако разрешающей способности глаза было недостаточно для точного попадания в цель.

   До XVI века артиллеристы пользовались таблицами, в которых на основе практических наблюдений были указаны углы, ветер, дальность полета, но меткость попадания была очень низкой. Возникла проблема научного предсказания – как достигнуть высокой меткости попадания снаряда.

   Впервые разрешить эту проблему удалось великому астроному и физику Галилео Галилею, исследования которого стимулировали появление баллистики (от греческого слова ballo – бросаю). Баллистика – раздел механики, изучающий движение тел в поле силы тяжести Земли. Галилей поддерживал постоянные контакты с венецианским арсеналом. Поэтому для проведения опытов он использовал военное оружие тех лет, то есть пушки и ядра. Он стрелял из пушек под разным углом, замеряя при этом дальность полета ядер. Проанализировав полученные данные и обобщив их с ранее известными законами и фактами, Г.Галилею удалось объяснить сущность закона движения тел, брошенных под углом к горизонту.

   Такое движение Г. Галилей называл принужденным (в отличие от свободного падения). Аристотель считал, что тело, брошенное под углом к горизонту, движется вначале но на-клонной прямой, затем по дуге окружности и, наконец, по вертикальной прямой. Возможно. Тарталья был первым, кто утверждал, что траектория брошенного тела «не имеет ни одной части, которая была бы совершенно прямой». Теорию «принужденного» движения Г. Галилей построил сразу же за теорией свободного падения. Путь, по которому он двигался, был прежним: теория (модель явления) предшествовала экспериментам. Догадка Г. Галилея была гениально простой: движение тела, брошенного под углом к горизонту, складывается из равномерного прямолинейного движения,  ко-торое имело бы место, не будь силы тяжести, и свободного падения. В результате тело движется по параболе. Отметим, что в этом рассуждении существенно используется закон инерции - закон Г. Галилея.