伽利略的偉大發(fā)明
伽利略,意大利數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家,科學(xué)革命的先驅(qū)[1] 。伽利略發(fā)明了擺針和溫度計(jì),在科學(xué)上為人類(lèi)作出過(guò)巨大貢獻(xiàn),是近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)的奠基人之一。歷史上他首先在科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上融匯貫通了數(shù)學(xué)、物理學(xué)和天文學(xué)三門(mén)知識(shí),擴(kuò)大、加深并改變了人類(lèi)對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和宇宙的認(rèn)識(shí) 。
伽利略從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出自由落體定律、慣性定律和伽利略相對(duì)性原理等。從而推翻了亞里士多德物理學(xué)的許多臆斷,奠定了經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ),反駁了托勒密的地心體系,有力地支持了哥白尼的日心學(xué)說(shuō)。他以系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和觀察推翻了純屬思辨?zhèn)鹘y(tǒng)的自然觀,開(kāi)創(chuàng)了以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為根據(jù)并具有嚴(yán)密邏輯體系的近代科學(xué)。因此被譽(yù)為“近代力學(xué)之父”、“現(xiàn)代科學(xué)之父”。其工作為牛頓的理論體系的建立奠定了基礎(chǔ) 。
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伽利略的偉大發(fā)明:體溫表
對(duì)于今天的人們來(lái)說(shuō),體溫表已是非常普通的東西了,不僅醫(yī)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(zhǔn)確測(cè)出人體的溫度,因而是醫(yī)生看病的得力助手。
然而在400多年前,醫(yī)生曾因?yàn)闊o(wú)法測(cè)量病人的體溫而大傷腦筋。為了解決這一問(wèn)題,醫(yī)生找到了偉大的物理學(xué)家伽利略,請(qǐng)他幫助發(fā)明一種能準(zhǔn)確地測(cè)出體溫的儀器。當(dāng)時(shí)伽利略正在威尼斯的一所大學(xué)任教,對(duì)醫(yī)生的這一要求,他以其科學(xué)探索的特有勇氣承擔(dān)了下來(lái),但一時(shí)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(xué)生上實(shí)驗(yàn)課,他提問(wèn)到:“當(dāng)水的溫度升高,特別是沸騰的時(shí)候,為什么水位會(huì)上升?”有個(gè)學(xué)生立即回答說(shuō):“因?yàn)樗_(dá)到沸點(diǎn)時(shí),體積增大,水就膨脹上升;水冷卻,體積縮小,就會(huì)降下來(lái)。”
聽(tīng)到學(xué)生的正確回答,伽利略不由眼前一亮,他立即想到了測(cè)量體溫的方法。他想:水的溫度發(fā)生變化,體積也隨著發(fā)生變化。反過(guò)來(lái),從水的體積變化,不是也可以測(cè)出溫度的變化嗎?有了發(fā)明溫度表的理論依據(jù),伽利略立即跑到實(shí)驗(yàn)室,根據(jù)熱脹冷縮的原理,做起實(shí)驗(yàn)來(lái)了。但是,一次次地實(shí)驗(yàn)都失敗了,伽利略又陷入了困境。
這一天,伽利略又在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)。他用手握住試管底部,使管內(nèi)的空氣漸漸變熱,然后把試管上端倒插入水中,松開(kāi)握著試管的手。這時(shí),他發(fā)現(xiàn),試管里的水被慢慢地吸上去一截;而當(dāng)他再握住試管的時(shí)候,水又漸漸降下去一點(diǎn)。這表明,從水的上升與下降,可以反映出試管內(nèi)溫度的變化。伽利略根據(jù)這次實(shí)驗(yàn),經(jīng)過(guò)多次改進(jìn),終于在1593年制出了一個(gè)溫度表。
其做法是:把一根很細(xì)的試管裝上一些水,排出管內(nèi)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(gè)溫度表就誕生了。但這種溫度表有個(gè)缺點(diǎn),即到了寒冷的冬天,試管會(huì)由于水結(jié)冰使體積膨脹被撐破。當(dāng)時(shí)這種溫度表作為醫(yī)用有很大的局限性。
1654年,伽利略的學(xué)生斐迪南發(fā)現(xiàn)了酒精不怕寒冷的特性,進(jìn)一步改進(jìn)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(wèn)題。1657年,意大利人阿克得米亞發(fā)現(xiàn)水銀是在常溫下唯一呈液態(tài)的銀白色金屬,約零下39攝氏度凝固,其特異的物化性能優(yōu)于酒精。他用水銀代替了酒精,使體溫表的制造技術(shù)又提高一大步。1867年,英國(guó)醫(yī)生奧爾巴特又改進(jìn)了體溫表的笨重形態(tài),研制出更為精巧的體溫表,使用起來(lái)更方便了。
伽利略的偉大發(fā)明:望遠(yuǎn)鏡
伽利略在帕多瓦大學(xué)工作的18年間,最初把主要精力放在他一直感興趣的力學(xué)研究方面,他發(fā)現(xiàn)了物理上重要的現(xiàn)象——物體運(yùn)動(dòng)的慣性;他做過(guò)有名的斜面實(shí)踐,總結(jié)了物體下落的距離與所經(jīng)過(guò)的時(shí)間之間的數(shù)量關(guān)系;他還研究了炮彈的運(yùn)動(dòng),奠定了拋物線理論的基礎(chǔ);關(guān)于加速度這個(gè)概念,也是他第一個(gè)明確提出的;甚至為了測(cè)量病人發(fā)燒時(shí)體溫的升高,這位著名的物理學(xué)家還在1593年發(fā)明了第一支空氣溫度計(jì)……但是,一個(gè)偶然的事件,使伽利略改變了研究方向。他從力學(xué)和物理學(xué)的研究轉(zhuǎn)向廣漠無(wú)垠的茫茫太空了。
1609年6月,伽利略聽(tīng)到一個(gè)消息,說(shuō)是荷蘭有個(gè)眼鏡商人利帕希在一偶然的發(fā)現(xiàn)中,用一種鏡片看見(jiàn)了遠(yuǎn)處肉眼看不見(jiàn)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(gè)學(xué)生從巴黎來(lái)信,進(jìn)一步證實(shí)這個(gè)消息的準(zhǔn)確性,信中說(shuō)盡管不知道利帕希是怎樣做的,但是這個(gè)眼鏡商人肯定是制造了一個(gè)鏡管,用它可以使物體放大許多倍。“鏡管!”伽利略把來(lái)信翻來(lái)覆去看了好幾遍,急忙跑進(jìn)他的實(shí)驗(yàn)室。他找來(lái)紙和鵝管筆,開(kāi)始畫(huà)出一張又一張透鏡成像的示意圖。伽利略由鏡管這個(gè)提示受到啟發(fā),看來(lái)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(lái)有關(guān)透鏡的資料,不停地進(jìn)行計(jì)算,忘記了暮色爬上窗戶,也忘記了曙光是怎樣射進(jìn)房間。
伽利略的偉大發(fā)明
整整一個(gè)通宵,伽利略終于明白,把凸透鏡和凹透鏡放在一個(gè)適當(dāng)?shù)木嚯x,就像那個(gè)荷蘭人看見(jiàn)的那樣,遙遠(yuǎn)的肉眼看不見(jiàn)的物體經(jīng)過(guò)放大也能看清了。伽利略非常高興。他顧不上休息,立即動(dòng)手磨制鏡片,這是一項(xiàng)很費(fèi)時(shí)間又需要細(xì)心的活兒。他一連干了好幾天,磨制出一對(duì)對(duì)凸透鏡和凹透鏡,然后又制作了一個(gè)精巧的可以滑動(dòng)的雙層金屬管。現(xiàn)在,該試驗(yàn)一下他的發(fā)明了。伽利略小心翼翼地把一片大一點(diǎn)的凸透鏡安在管子的一端,另一端安上一片小一點(diǎn)的凹透鏡,然后把管子對(duì)著窗外。
當(dāng)他從凹透鏡的一端望去時(shí),奇跡出現(xiàn)了,那遠(yuǎn)處的教堂仿佛近在眼前,可以清晰地看見(jiàn)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(yuǎn)鏡的消息馬上傳開(kāi)了。“我制成望遠(yuǎn)鏡的消息傳到威尼斯”,在一封寫(xiě)給妹夫的信里,伽利略寫(xiě)道,“一星期之后,就命我把望遠(yuǎn)鏡呈獻(xiàn)給議長(zhǎng)和議員們觀看,他們感到非常驚奇。紳士和議員們,雖然年紀(jì)很大了,但都按次序登上威尼斯的最高鐘樓,眺望遠(yuǎn)在港外的船只,看得都很清楚;如果沒(méi)有我的望遠(yuǎn)鏡,就是眺望兩個(gè)小時(shí)也看不見(jiàn)。這儀器的效用可使50英里以外的物體,www.gs5000.cn看起來(lái)就像在5英里以內(nèi)那樣。”
伽利略發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡,經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn),放大率提高到30倍以上,能把實(shí)物放大1000倍。現(xiàn)在,他猶如有了千里眼,可以窺探宇宙的秘密了。這是天文學(xué)研究中具有劃時(shí)代意義的一次革命,幾千年來(lái)天文學(xué)家單靠肉眼觀察日月星辰的時(shí)代結(jié)束了,代之而起的是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡,有了這種有力的武器,近代天文學(xué)的大門(mén)被打開(kāi)了。現(xiàn)在,每當(dāng)星光燦爛或是皓月當(dāng)空的夜晚,伽利略便把他的望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)深邃遙遠(yuǎn)的蒼穹,不顧疲勞和寒冷,夜復(fù)一夜地觀察著。
過(guò)去,人們一直以為月亮是個(gè)光滑的天體,像太陽(yáng)一樣自身發(fā)光。但是伽利略透過(guò)望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn),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(dāng)時(shí)伽利略稱(chēng)它是“海”)。他還從月亮上亮的和暗的部分的移動(dòng),發(fā)現(xiàn)了月亮自身并不能發(fā)光,月亮的光是透過(guò)太陽(yáng)得來(lái)的。伽利略又把望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)橫貫天穹的銀河,以前人們一直認(rèn)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(rèn)為的。伽利略決定用望遠(yuǎn)鏡檢驗(yàn)這一說(shuō)法是否正確。
他用望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)夜空中霧蒙蒙的光帶,不禁大吃一驚,原來(lái)那根本不是云霧,而是千千萬(wàn)萬(wàn)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(shuō)的星團(tuán),發(fā)現(xiàn)星團(tuán)也是很多星體聚集一起,像獵戶座星團(tuán),金牛座的昴星團(tuán)、蜂巢星團(tuán)都是如此。伽利略的望遠(yuǎn)鏡揭開(kāi)了一個(gè)又一個(gè)宇宙的秘密,他發(fā)現(xiàn)了木星周?chē)h(huán)繞著它運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星,還計(jì)算了它們的運(yùn)行周期。現(xiàn)在我們知道,木星共有14顆衛(wèi)星,伽利略所發(fā)現(xiàn)的是其中最大的4顆。
除此之外,伽利略還用望遠(yuǎn)鏡觀察到太陽(yáng)的黑子,他通過(guò)黑子的移動(dòng)現(xiàn)象推斷,太陽(yáng)也是在轉(zhuǎn)動(dòng)的。一個(gè)又一個(gè)振奮人心的發(fā)現(xiàn),促使伽利略動(dòng)筆寫(xiě)一本最新的天文學(xué)發(fā)現(xiàn)的書(shū),他要向全世界公布他的觀測(cè)結(jié)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(dòng)。他是利用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天體取得大量成果的第一位科學(xué)家。
這些成果包括:發(fā)現(xiàn)月球表面凹凸不平,木星有4個(gè)衛(wèi)星(現(xiàn)稱(chēng)伽利略衛(wèi)星),太陽(yáng)黑子和太陽(yáng)的自轉(zhuǎn),金星、木星的盈虧現(xiàn)象以及銀河由無(wú)數(shù)恒星組成等。他用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了哥白尼的“地動(dòng)說(shuō)”,徹底否定了統(tǒng)治千余年的亞里士多德和托勒密的“天動(dòng)說(shuō)”。