伽利略的偉大發明
伽利略,意大利數學家、物理學家、天文學家,科學革命的先驅[1] 。伽利略發明了擺針和溫度計,在科學上為人類作出過巨大貢獻,是近代實驗科學的奠基人之一。歷史上他首先在科學實驗的基礎上融匯貫通了數學、物理學和天文學三門知識,擴大、加深并改變了人類對物質運動和宇宙的認識 。
伽利略從實驗中總結出自由落體定律、慣性定律和伽利略相對性原理等。從而推翻了亞里士多德物理學的許多臆斷,奠定了經典力學的基礎,反駁了托勒密的地心體系,有力地支持了哥白尼的日心學說。他以系統的實驗和觀察推翻了純屬思辨傳統的自然觀,開創了以實驗事實為根據并具有嚴密邏輯體系的近代科學。因此被譽為“近代力學之父”、“現代科學之父”。其工作為牛頓的理論體系的建立奠定了基礎 。
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伽利略的偉大發明:體溫表
對于今天的人們來說,體溫表已是非常普通的東西了,不僅醫院廣泛使用,而且也是許多家庭的必備之物。由于體溫表能準確測出人體的溫度,因而是醫生看病的得力助手。
然而在400多年前,醫生曾因為無法測量病人的體溫而大傷腦筋。為了解決這一問題,醫生找到了偉大的物理學家伽利略,請他幫助發明一種能準確地測出體溫的儀器。當時伽利略正在威尼斯的一所大學任教,對醫生的這一要求,他以其科學探索的特有勇氣承擔了下來,但一時又難以找到正確的解決辦法,他苦苦思索著、探求著……一天,伽利略給學生上實驗課,他提問到:“當水的溫度升高,特別是沸騰的時候,為什么水位會上升?”有個學生立即回答說:“因為水達到沸點時,體積增大,水就膨脹上升;水冷卻,體積縮小,就會降下來。”
聽到學生的正確回答,伽利略不由眼前一亮,他立即想到了測量體溫的方法。他想:水的溫度發生變化,體積也隨著發生變化。反過來,從水的體積變化,不是也可以測出溫度的變化嗎?有了發明溫度表的理論依據,伽利略立即跑到實驗室,根據熱脹冷縮的原理,做起實驗來了。但是,一次次地實驗都失敗了,伽利略又陷入了困境。
這一天,伽利略又在實驗室做實驗。他用手握住試管底部,使管內的空氣漸漸變熱,然后把試管上端倒插入水中,松開握著試管的手。這時,他發現,試管里的水被慢慢地吸上去一截;而當他再握住試管的時候,水又漸漸降下去一點。這表明,從水的上升與下降,可以反映出試管內溫度的變化。伽利略根據這次實驗,經過多次改進,終于在1593年制出了一個溫度表。
其做法是:把一根很細的試管裝上一些水,排出管內的空氣,再把試管封住,并在試管上刻上刻度,以便從水上升的刻度上知道人的體溫。這樣,世界上第一個溫度表就誕生了。但這種溫度表有個缺點,即到了寒冷的冬天,試管會由于水結冰使體積膨脹被撐破。當時這種溫度表作為醫用有很大的局限性。
1654年,伽利略的學生斐迪南發現了酒精不怕寒冷的特性,進一步改進了最初的溫度表,用酒精代替水,解決了冬天溫度表不能使用的問題。1657年,意大利人阿克得米亞發現水銀是在常溫下唯一呈液態的銀白色金屬,約零下39攝氏度凝固,其特異的物化性能優于酒精。他用水銀代替了酒精,使體溫表的制造技術又提高一大步。1867年,英國醫生奧爾巴特又改進了體溫表的笨重形態,研制出更為精巧的體溫表,使用起來更方便了。
伽利略的偉大發明:望遠鏡
伽利略在帕多瓦大學工作的18年間,最初把主要精力放在他一直感興趣的力學研究方面,他發現了物理上重要的現象——物體運動的慣性;他做過有名的斜面實踐,總結了物體下落的距離與所經過的時間之間的數量關系;他還研究了炮彈的運動,奠定了拋物線理論的基礎;關于加速度這個概念,也是他第一個明確提出的;甚至為了測量病人發燒時體溫的升高,這位著名的物理學家還在1593年發明了第一支空氣溫度計……但是,一個偶然的事件,使伽利略改變了研究方向。他從力學和物理學的研究轉向廣漠無垠的茫茫太空了。
1609年6月,伽利略聽到一個消息,說是荷蘭有個眼鏡商人利帕希在一偶然的發現中,用一種鏡片看見了遠處肉眼看不見的東西。“這難道不正是我需要的千里眼嗎?”伽利略非常高興。不久,伽利略的一個學生從巴黎來信,進一步證實這個消息的準確性,信中說盡管不知道利帕希是怎樣做的,但是這個眼鏡商人肯定是制造了一個鏡管,用它可以使物體放大許多倍。“鏡管!”伽利略把來信翻來覆去看了好幾遍,急忙跑進他的實驗室。他找來紙和鵝管筆,開始畫出一張又一張透鏡成像的示意圖。伽利略由鏡管這個提示受到啟發,看來鏡管能夠放大物體的秘密在于選擇怎樣的透鏡,特別是凸透鏡和凹透鏡如何搭配。他找來有關透鏡的資料,不停地進行計算,忘記了暮色爬上窗戶,也忘記了曙光是怎樣射進房間。
伽利略的偉大發明
整整一個通宵,伽利略終于明白,把凸透鏡和凹透鏡放在一個適當的距離,就像那個荷蘭人看見的那樣,遙遠的肉眼看不見的物體經過放大也能看清了。伽利略非常高興。他顧不上休息,立即動手磨制鏡片,這是一項很費時間又需要細心的活兒。他一連干了好幾天,磨制出一對對凸透鏡和凹透鏡,然后又制作了一個精巧的可以滑動的雙層金屬管。現在,該試驗一下他的發明了。伽利略小心翼翼地把一片大一點的凸透鏡安在管子的一端,另一端安上一片小一點的凹透鏡,然后把管子對著窗外。
當他從凹透鏡的一端望去時,奇跡出現了,那遠處的教堂仿佛近在眼前,可以清晰地看見鐘樓上的十字架,甚至連一只在十字架上落腳的鴿子也看得非常逼真。伽利略制成望遠鏡的消息馬上傳開了。“我制成望遠鏡的消息傳到威尼斯”,在一封寫給妹夫的信里,伽利略寫道,“一星期之后,就命我把望遠鏡呈獻給議長和議員們觀看,他們感到非常驚奇。紳士和議員們,雖然年紀很大了,但都按次序登上威尼斯的最高鐘樓,眺望遠在港外的船只,看得都很清楚;如果沒有我的望遠鏡,就是眺望兩個小時也看不見。這儀器的效用可使50英里以外的物體,www.gs5000.cn看起來就像在5英里以內那樣。”
伽利略發明的望遠鏡,經過不斷改進,放大率提高到30倍以上,能把實物放大1000倍。現在,他猶如有了千里眼,可以窺探宇宙的秘密了。這是天文學研究中具有劃時代意義的一次革命,幾千年來天文學家單靠肉眼觀察日月星辰的時代結束了,代之而起的是光學望遠鏡,有了這種有力的武器,近代天文學的大門被打開了。現在,每當星光燦爛或是皓月當空的夜晚,伽利略便把他的望遠鏡瞄準深邃遙遠的蒼穹,不顧疲勞和寒冷,夜復一夜地觀察著。
過去,人們一直以為月亮是個光滑的天體,像太陽一樣自身發光。但是伽利略透過望遠鏡發現,月亮和我們生存的地球一樣,有高峻的山脈,也有低凹的洼地(當時伽利略稱它是“海”)。他還從月亮上亮的和暗的部分的移動,發現了月亮自身并不能發光,月亮的光是透過太陽得來的。伽利略又把望遠鏡對準橫貫天穹的銀河,以前人們一直認為銀河是地球上的水蒸氣凝成的白霧,亞里士多德就是這樣認為的。伽利略決定用望遠鏡檢驗這一說法是否正確。
他用望遠鏡對準夜空中霧蒙蒙的光帶,不禁大吃一驚,原來那根本不是云霧,而是千千萬萬顆星星聚集一起。伽利略還觀察了天空中的斑斑云彩——即通常所說的星團,發現星團也是很多星體聚集一起,像獵戶座星團,金牛座的昴星團、蜂巢星團都是如此。伽利略的望遠鏡揭開了一個又一個宇宙的秘密,他發現了木星周圍環繞著它運動的衛星,還計算了它們的運行周期。現在我們知道,木星共有14顆衛星,伽利略所發現的是其中最大的4顆。
除此之外,伽利略還用望遠鏡觀察到太陽的黑子,他通過黑子的移動現象推斷,太陽也是在轉動的。一個又一個振奮人心的發現,促使伽利略動筆寫一本最新的天文學發現的書,他要向全世界公布他的觀測結果。1610年3月,伽利略的著作《星際使者》在威尼斯出版,立即在歐洲引起轟動。他是利用望遠鏡觀測天體取得大量成果的第一位科學家。
這些成果包括:發現月球表面凹凸不平,木星有4個衛星(現稱伽利略衛星),太陽黑子和太陽的自轉,金星、木星的盈虧現象以及銀河由無數恒星組成等。他用實驗證實了哥白尼的“地動說”,徹底否定了統治千余年的亞里士多德和托勒密的“天動說”。