伽利略的伟大发明
伽利略,意大利数学家、物理学家、天文学家,科学革命的先驱[1] 。伽利略发明了摆针和温度计,在科学上为人类作出过巨大贡献,是近代实验科学的奠基人之一。历史上他首先在科学实验的基础上融汇贯通了数学、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 。
伽利略从实验中总结出自由落体定律、惯性定律和伽利略相对性原理等。从而推翻了亚里士多德物理学的许多臆断,奠定了经典力学的基础,反驳了托勒密的地心体系,有力地支持了哥白尼的日心学说。他以系统的实验和观察推翻了纯属思辨传统的自然观,开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学。因此被誉为“近代力学之父”、“现代科学之父”。其工作为牛顿的理论体系的建立奠定了基础 。
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伽利略的伟大发明:体温表
对于今天的人们来说,体温表已是非常普通的东西了,不仅医院广泛使用,而且也是许多家庭的必备之物。由于体温表能准确测出人体的温度,因而是医生看病的得力助手。
然而在400多年前,医生曾因为无法测量病人的体温而大伤脑筋。为了解决这一问题,医生找到了伟大的物理学家伽利略,请他帮助发明一种能准确地测出体温的仪器。当时伽利略正在威尼斯的一所大学任教,对医生的这一要求,他以其科学探索的特有勇气承担了下来,但一时又难以找到正确的解决办法,他苦苦思索着、探求着……一天,伽利略给学生上实验课,他提问到:“当水的温度升高,特别是沸腾的时候,为什么水位会上升?”有个学生立即回答说:“因为水达到沸点时,体积增大,水就膨胀上升;水冷却,体积缩小,就会降下来。”
听到学生的正确回答,伽利略不由眼前一亮,他立即想到了测量体温的方法。他想:水的温度发生变化,体积也随着发生变化。反过来,从水的体积变化,不是也可以测出温度的变化吗?有了发明温度表的理论依据,伽利略立即跑到实验室,根据热胀冷缩的原理,做起实验来了。但是,一次次地实验都失败了,伽利略又陷入了困境。
这一天,伽利略又在实验室做实验。他用手握住试管底部,使管内的空气渐渐变热,然后把试管上端倒插入水中,松开握着试管的手。这时,他发现,试管里的水被慢慢地吸上去一截;而当他再握住试管的时候,水又渐渐降下去一点。这表明,从水的上升与下降,可以反映出试管内温度的变化。伽利略根据这次实验,经过多次改进,终于在1593年制出了一个温度表。
其做法是:把一根很细的试管装上一些水,排出管内的空气,再把试管封住,并在试管上刻上刻度,以便从水上升的刻度上知道人的体温。这样,世界上第一个温度表就诞生了。但这种温度表有个缺点,即到了寒冷的冬天,试管会由于水结冰使体积膨胀被撑破。当时这种温度表作为医用有很大的局限性。
1654年,伽利略的学生斐迪南发现了酒精不怕寒冷的特性,进一步改进了最初的温度表,用酒精代替水,解决了冬天温度表不能使用的问题。1657年,意大利人阿克得米亚发现水银是在常温下唯一呈液态的银白色金属,约零下39摄氏度凝固,其特异的物化性能优于酒精。他用水银代替了酒精,使体温表的制造技术又提高一大步。1867年,英国医生奥尔巴特又改进了体温表的笨重形态,研制出更为精巧的体温表,使用起来更方便了。
伽利略的伟大发明:望远镜
伽利略在帕多瓦大学工作的18年间,最初把主要精力放在他一直感兴趣的力学研究方面,他发现了物理上重要的现象——物体运动的惯性;他做过有名的斜面实践,总结了物体下落的距离与所经过的时间之间的数量关系;他还研究了炮弹的运动,奠定了抛物线理论的基础;关于加速度这个概念,也是他第一个明确提出的;甚至为了测量病人发烧时体温的升高,这位着名的物理学家还在1593年发明了第一支空气温度计……但是,一个偶然的事件,使伽利略改变了研究方向。他从力学和物理学的研究转向广漠无垠的茫茫太空了。
1609年6月,伽利略听到一个消息,说是荷兰有个眼镜商人利帕希在一偶然的发现中,用一种镜片看见了远处肉眼看不见的东西。“这难道不正是我需要的千里眼吗?”伽利略非常高兴。不久,伽利略的一个学生从巴黎来信,进一步证实这个消息的准确性,信中说尽管不知道利帕希是怎样做的,但是这个眼镜商人肯定是制造了一个镜管,用它可以使物体放大许多倍。“镜管!”伽利略把来信翻来覆去看了好几遍,急忙跑进他的实验室。他找来纸和鹅管笔,开始画出一张又一张透镜成像的示意图。伽利略由镜管这个提示受到启发,看来镜管能够放大物体的秘密在于选择怎样的透镜,特别是凸透镜和凹透镜如何搭配。他找来有关透镜的资料,不停地进行计算,忘记了暮色爬上窗户,也忘记了曙光是怎样射进房间。
伽利略的伟大发明
整整一个通宵,伽利略终于明白,把凸透镜和凹透镜放在一个适当的距离,就像那个荷兰人看见的那样,遥远的肉眼看不见的物体经过放大也能看清了。伽利略非常高兴。他顾不上休息,立即动手磨制镜片,这是一项很费时间又需要细心的活儿。他一连干了好几天,磨制出一对对凸透镜和凹透镜,然后又制作了一个精巧的可以滑动的双层金属管。现在,该试验一下他的发明了。伽利略小心翼翼地把一片大一点的凸透镜安在管子的一端,另一端安上一片小一点的凹透镜,然后把管子对着窗外。
当他从凹透镜的一端望去时,奇迹出现了,那远处的教堂仿佛近在眼前,可以清晰地看见钟楼上的十字架,甚至连一只在十字架上落脚的鸽子也看得非常逼真。伽利略制成望远镜的消息马上传开了。“我制成望远镜的消息传到威尼斯”,在一封写给妹夫的信里,伽利略写道,“一星期之后,就命我把望远镜呈献给议长和议员们观看,他们感到非常惊奇。绅士和议员们,虽然年纪很大了,但都按次序登上威尼斯的最高钟楼,眺望远在港外的船只,看得都很清楚;如果没有我的望远镜,就是眺望两个小时也看不见。这仪器的效用可使50英里以外的物体,www.gs5000.cn看起来就像在5英里以内那样。”
伽利略发明的望远镜,经过不断改进,放大率提高到30倍以上,能把实物放大1000倍。现在,他犹如有了千里眼,可以窥探宇宙的秘密了。这是天文学研究中具有划时代意义的一次革命,几千年来天文学家单靠肉眼观察日月星辰的时代结束了,代之而起的是光学望远镜,有了这种有力的武器,近代天文学的大门被打开了。现在,每当星光灿烂或是皓月当空的夜晚,伽利略便把他的望远镜瞄准深邃遥远的苍穹,不顾疲劳和寒冷,夜复一夜地观察着。
过去,人们一直以为月亮是个光滑的天体,像太阳一样自身发光。但是伽利略透过望远镜发现,月亮和我们生存的地球一样,有高峻的山脉,也有低凹的洼地(当时伽利略称它是“海”)。他还从月亮上亮的和暗的部分的移动,发现了月亮自身并不能发光,月亮的光是透过太阳得来的。伽利略又把望远镜对准横贯天穹的银河,以前人们一直认为银河是地球上的水蒸气凝成的白雾,亚里士多德就是这样认为的。伽利略决定用望远镜检验这一说法是否正确。
他用望远镜对准夜空中雾蒙蒙的光带,不禁大吃一惊,原来那根本不是云雾,而是千千万万颗星星聚集一起。伽利略还观察了天空中的斑斑云彩——即通常所说的星团,发现星团也是很多星体聚集一起,像猎户座星团,金牛座的昴星团、蜂巢星团都是如此。伽利略的望远镜揭开了一个又一个宇宙的秘密,他发现了木星周围环绕着它运动的卫星,还计算了它们的运行周期。现在我们知道,木星共有14颗卫星,伽利略所发现的是其中最大的4颗。
除此之外,伽利略还用望远镜观察到太阳的黑子,他通过黑子的移动现象推断,太阳也是在转动的。一个又一个振奋人心的发现,促使伽利略动笔写一本最新的天文学发现的书,他要向全世界公布他的观测结果。1610年3月,伽利略的着作《星际使者》在威尼斯出版,立即在欧洲引起轰动。他是利用望远镜观测天体取得大量成果的第一位科学家。
这些成果包括:发现月球表面凹凸不平,木星有4个卫星(现称伽利略卫星),太阳黑子和太阳的自转,金星、木星的盈亏现象以及银河由无数恒星组成等。他用实验证实了哥白尼的“地动说”,彻底否定了统治千余年的亚里士多德和托勒密的“天动说”。