趣味物理小實驗 伽利略斜面與牛頓大炮

我們知道，力的作用效果之一是力能改變物體的運動狀態。假如物體不受力作用時，物體將怎樣運動？可能你會想：物體不受力，物體當然要保持靜止。比如，“用力推車，車子才前進；停止用力，車子就要停下來”。這種觀點對嗎？

在物體運動原因的研究中，長期以來人們的經驗是，要改變一個靜止物體的位置，必須推它、提它或拉它。因此人們直覺地認為，物體的運動是與推、提、拉等動作相聯絡的，深信要使一個物體運動得更快，必須用更大的力推它、提它或拉它，當推、拉物體的力不再作用時，原來運動的物體便靜止下來。根據這類經驗事實，亞里士多德得出結論：靜止是水平地面上物體的“自然狀態”或“自然本性”，必須有力作用在物體上，物體才能運動；沒有力的作用，物體就要靜止下來。然而，亞里士多德的這個結論是錯誤的，並且由於亞里士多德的權威，這種錯誤認識被維持了近兩千年。直至三百多年前，伽利略才創造了有效的方法和技術，揭示了現象的本質。

伽利略認識到，將人們引入歧途的是摩擦阻力，而這又是人們在日常觀察物體運動時難以完全避免的。伽利略注意到，當一個球沿斜面向下滾時，它的速度增大，而向上滾時，它的速度減小。由此他推論，當球沿水平面滾動時，它的速度應不增不減。實際上他也發現，球愈來愈慢，最後停下來。伽利略認為，這並非是它的“自然本性”，而是由於摩擦阻力的緣故，因為他同樣還觀察到，表面愈光滑，球便會滾的愈遠。於是他推論，若沒有摩擦阻力，球將永遠滾下去。1632年伽利略的實驗如圖1所示，讓小球沿一個斜面從靜止狀態開始下滾，小球將滾上另一個斜面，達到與原來差不多的高度然後再下滾。他推論，只是因為摩擦力，球才沒能達到原來的高度。然後，他減小後一斜面的傾角，小球在這個斜面上仍達到同一高度，但這時它要滾得遠些。繼續減小第二個斜面的傾角，球達到同一高度就會滾得更遠。於是他設想：若將後一斜面放平，球會滾多遠?結論顯然是球將永遠滾下去。這就是說，力不是維持物體運動（即維持物體的速度）的原因，而恰恰是改變物體運動狀態（即改變物體速度）的原因。這一結論，打破了自亞里士多德以來二千多年間關於“受力運動的物體，當外力停止作用時便歸於靜止”這一類陳舊觀念。這只是一個理想實驗，因為摩擦是永遠無法消除的。後來這個結論被牛頓總結為牛頓第一定律，為近代力學的建立奠定了基礎。

伽利略把實驗觀察和抽象思維結合起來，找到了深入理解運動問題的真正線索，是他研究工作的卓越之處。愛因斯坦稱讚道：“伽利略的發現以及他所用的科學推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標誌著物理學的真正開端。”

理想實驗是研究物理規律的一種重要的思想方法，它以大量可靠的事實為基礎，以真實的實驗為原型，通過合理的推理得出物理規律。理想實驗能深刻地揭示物理規律的本質。

你是否理解並掌握了“理想實驗”的思想，請試一試吧。

1．如圖2所示，在“探究運動和力的關係”實驗中，讓小車每次從斜面的同一高度處由靜止滑下，滑到鋪有粗糙程度不同的毛巾、棉布、木板的平面上，小車在不同的水平面上運動的距離如圖2所示。問：

⑴讓小車每次從斜面的同一高度處由靜止滑下的目的是什麼？

⑵通過分析可知：平面越光滑，小車受到的摩擦力就越，小車前進的距離就越。

⑶根據實驗結果推理可得：若接觸面完全光滑，即水平方向不受外力作用，軌道足夠長，小車將一直做運動。可見，力不是使物體運動的原因，力是改變物體的原因。

2．牛頓曾研究過這樣一個問題：他發現人擲出去的石頭總會偏離擲出方向落回地面，於是牛頓提出了一個“大炮”的設想，圖3是他畫的“大炮”草圖——在地球的一座高山上架起一隻水平大炮，以不同的速度將炮彈平射出去，射出速度越大，炮彈落地點就離山腳越遠。他推想：當射出速度足夠大時，炮彈將會如何運動呢？牛頓通過科學的推理得出了一個重要的結論。這就是著名的“牛頓大炮”的故事，故事中牛頓實際也用到了理想實驗的研究方法。

（1）研究中牛頓基於的可靠事實是。

（2）根據以上資料和牛頓的“大炮”草圖，推測牛頓當年的重要結論是。如今，牛頓當年的推測已變成了現實，人們應用他的推論，利用現代科技製成了。

（3）想想看，初中物理學習中，你在研究什麼問題時用到過理想實驗的方法？請舉一例並說明你的研究過程。

參考答案：

1．⑴讓小車進入水平面時有相同的速度

⑵小長

⑶勻速直線運動狀態

2．⑴人擲出去的石頭總會偏離擲出方向落回地面.

⑵當丟擲物體的速度足夠大時，物體將離開地球繞地球旋轉，作圓周運動人造衛星

⑶研究真空不能傳聲實驗中，隨著抽氣的進行,聽到真空罩內的聲音越來越小，由此推想，若抽成真空，將聽不到聲音，從而得出真空不能傳聲.

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選自：《初中物理自制教具》