伽利略的发现：摆动的等时性原理

2023-08-16 理论教育版权反馈

【摘要】：摆的等时性原理指的是摆动的周期与摆的长度的平方根成正比，而与摆锤的重量无关。伽利略发现的这一规律，就是物理学上的单摆等时性原理。到了今天，摆的等时性原理不仅被运用到时钟上，还可以用于计数脉搏、计算日食和推算星辰的运动等方面。由此，伽利略发现了摆动的规律，提出了著名的“摆的等时性原理”，推翻了一千多年来亚里士多德关于摆动的错误定论。

其实，在这个重大发现之前的五六年前，伽利略已经有了一项功不可没的伟大发现，并且创立了单摆定律。

摆的等时性原理指的是摆动的周期与摆的长度的平方根成正比，而与摆锤的重量无关。伽利略发现的这一规律，就是物理学上的单摆等时性原理。1667年，荷兰物理学家惠更斯运用这一定律，制造了世界上第一座有钟摆的时钟，开创了钟表科技这一新的领域。到了今天，摆的等时性原理不仅被运用到时钟上，还可以用于计数脉搏、计算日食和推算星辰的运动等方面。同时，还可以根据此周期公式，利用单摆定律测定各地的重力加速度。

▲单摆

关于伽利略创立单摆定律，还有一个小故事。

1582年，伽利略18岁，正在比萨城的一所学校学医学，准备将来有一天成为一名医生。这个职业也许不合他的意，他看起来学得并不是十分投入，而是迷恋着许多不可思议的自然现象，经常陷入各种各样的胡思乱想之中。又是一个礼拜天，伽利略像往常一样，随同学们一起去比萨大教堂做礼拜。

教堂里跪满了信徒，大家屏息静气地听着主教演讲，十分沉寂。突然，外面刮进一阵风，吹得教堂顶端悬挂的一盏吊灯来回摆动。摆动的吊灯链条发出嘀嘀嗒嗒的声音，在肃穆的教堂里显得格外清脆。伽利略不由地抬头看了一眼吊灯，这一看不要紧，引起了他的极大兴趣，他目不转睛地观察吊灯的摆动，早已忘记主教的演讲。伽利略究竟发现了什么呢？

原来，伽利略发现吊灯的摆动会随着风变小，而且越来越微弱。这是很正常的自然现象，然而，伽利略却看出了特别的东西。他觉得虽然吊灯摆动的振幅小了，但是所需时间似乎没有变化。这样想着，伽利略开始检验自己的观察结果，他用右手指按在左手腕的脉搏上，透过测量脉搏的跳动来观察吊灯的摆动次数。要知道脉搏跳动是十分规律的，据此，伽利略得出了一个令人惊奇的结果：不论吊灯摆动的幅度多大，每摆动一次所需用的时间的的确确是相同的。这个结果让伽利略大吃一惊，简直如遭雷击一般。多少年来，人们对于摆动一直尊奉一条规则，那就是亚里士多德提出的“摆动幅度小，则需要的时间少”这样的定律。现在，伽利略却意外发现摆动的振幅与时间之间没有这种关系，这是伟大的发现还是感觉的错误？伽利略一刻也坐不住了，他不等礼拜完毕，爬起来迅速跑回家。

回到家后，伽利略迫不及待地进行了试验。他找来一只沙钟，准备好笔、墨水、纸张，以备记录各种实验数据。为了精确地得到试验数据，他还请了自己的教父来帮忙。

伽利略对教父说：“我有一个伟大的发现，请您帮忙。”教父看到他准备的材料，以为他又要进行什么奇怪的试验，便说：“好吧，不知道这次你要试验什么？”

伽利略对教父说了自己在教堂里发现的问题，然后说想要证明摆动和时间的关系问题。教父听了，划着十字说：“伟大的亚里士多德已经对这个问题进行了明确的阐说，难道他错了吗？孩子，你要进行的可是一项太冒险的试验了。”伽利略自然清楚自己挑战的是什么，但他毫不迟疑，说服教父，开始了试验。他和教父拿着长度相同的绳子，每根绳子的一端都挂着相等重量的铅块，他们将绳子分别系在柱子上，然后伽利略手拿两个铅块，分别将绳子拉到离垂直线不同的位置上，同时放开手里的铅块。于是，绳索开始自由摆动，他和教父分别记录不同铅块的摆动情况，然后将结果进行比较。

经过反复多次试验，伽利略发现，两根绳索来回摆动的次数总数是一样的。也就是说，不管两根绳索的摆动幅度如何，它们需要的时间相同。由此，伽利略发现了摆动的规律，提出了著名的“摆的等时性原理”，推翻了一千多年来亚里士多德关于摆动的错误定论。

加速度

加速度是物理学中的一个物理量，是一个矢量，主要应用于经典物理中，一般用字母a表示，在国际单位制中的单位为米每二次方秒（m/s² ）。加速度是速度变化量关于发生这一变化所用时间的比值，描述速度的方向和大小变化的快慢，是状态量。

伽利略的发现：摆动的等时性原理

相关推荐