01持续两千年的错误自由或者非自由的落体运动是司空见惯的，但是人类对它的认识经历了将近两千年的时间。最早也最著名的研究者当属古希腊大学者亚里士多德。 思考这样的问题：什么因素决定物体下路的快慢呢？ 一个最常见的事实是，石头下落的比树叶快，非常明显。所以，亚里士多德认为——也是大多数人认为——物体下落的快慢是由它们的重量决定的。 这一论断由于符合人们的常识，所以被广为接受，奉为真理，2000多年，从没有人怀疑。 02初生牛犊不怕虎伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）是伟大的意大利物理学家和天文学，比萨大学和帕多瓦大学的教授，他融汇了数学、物理学、天文学，在研究工作中开科学实验之先河，奠定了现代科学的基础。他在米开朗基罗去世前三天出生，仿佛要连接两个时代：文艺复兴已经完成，近代科学开始起航。 伽利略 16世界末，还是青年的伽利略对亚里士多德对自由落体运动的论断表示怀疑。在他著名的著作《两种新科学的对话》中，他设计了一个完美的思想实验。这个实验充分展现了逻辑的力量，证明亚里士多德的理论不靠谱。而且，进一步的，伽利略在比萨斜塔上做了那个大名鼎鼎的实验：两个铁球同时着地。 比萨斜塔 03完美的思想实验伽利略的思想实验如下： 根据亚里士多德的论断：重的物体下落的比轻的物体快，那么，大的石头比小的石头下落的要快。 假设大石头下落的速度为x，小石头下落的速度为y，则x>y。 现在考虑：把两个石头用绳子紧紧的捆在一起，然后自由下落。会是什么结果呢？ 分析1：两个石头捆起来的重量比原来单独一个大石头还要大，所以，最终下落速度要比x还大。 分析2：由于小石头原来比大石头下落速度慢，捆在一起，小石头就会拖累大石头的速度，所以，最终下落速度比x小。 这样，从亚里士多德的一个前提，推出了两个完全不同个的结论！ 所以，这个前提是不对的！亚里士多德的理论陷入了困境。 伽利略认为，为了摆脱这个困境，只有一种可能：重的物体和轻的物体下落得一样快！也就是说，下落的快慢和重量无关！ 同时，伽利略提出：实验结果是检验理论的唯一标准。 为了证明自己的理论，说服更多的人，传说伽利略在比萨斜塔做过自由落体实验：手持两个不同重量的铁球，同时松手让铁球自由下落，结果两个铁球“咣当”一声，同时着地！ 当然，这个故事被后来严谨的考证给否定了。尽管如此，来自世界各地的人们都前往比萨斜塔参观，把这座古老的建筑作为物理学的圣地。 04理论+实验：物理学的两条腿我们常说，物理学的发展有两条粗壮的大腿：一条叫理论，一条叫实验。 物理学家也可以简单的分为理论物理学家和实验物理学家。比如提出相对论的爱因斯坦就是典型的理论物理学家，而因为测量电子电量而获得诺贝尔奖的密立根是典型的实验物理学家。 实验+理论，两条腿走路的科研方式，就是最早由伽利略提出的。 伽利略比前人伟大的地方就在于，他首先采用了实验检验猜想和假设的科学方法。在他之前，学者们总是通过思辨性的论战来决定谁是谁非——我曾经开玩笑的说，在伽利略之前，大家解决问题，就看谁能说过谁，谁就是对的。
针对自由落体运动，伽利略不光证明了亚里士多德的理论是错误的，而且他还提出了新的问题。 05新的问题和解决方案既然自由落体的快慢与物体重量无关，那么决定性的条件又是什么呢？伽利略要真正搞清楚自由落体运动的规律。 但是，困难重重：首先是概念上的困难——当时，人们连速度都还没有定义。其次是测量仪器，特别是时间的测量仪器非常不准确。 当然这些都难不倒天才的伽利略。 首先，针对概念上的困难，伽利略建立了我们现在描述运动的基本概念，比如速度、平均速度、瞬时速度、加速度等。在此基础上，运动学有了清晰的描述和可靠的数学模型。 其次，伽利略用新的思想实验，逻辑推演，解决了计时不准确、不精确的问题。 伽利略相信（很多物理学家都相信，如果你想要学好物理学，请认真思考这一点）：自然界规律是简洁明了的。所以他猜测，自由落体是最简单的变速运动——它的速度是均匀变化的。 但是，什么叫均匀变化？伽利略认为有两种可能：
从数学上计算发现，速度与路程成正比的话，那么将会推导出非常非常复杂的结果。 既然自然规律是简洁明了的，那么——复杂就是错的！ 所以，伽利略开始思考速度与时间成正比的理论，并设计实验进行验证。 06铜球在斜面上运动实验装置很简单：让铜球在斜面上滚下。 这个实验体现了伽利略天才的实验技巧和逻辑能力，让我们来分析伽利略的思路。 由于不能精确测量时间，只能转化思路：既然速度(v)与时间(t)成正比，那么位移(s)就与时间的平方（t^2）成正比。 不会证明的读者可以参看： 所以，伽利略设想：只要测量出物体通过不同位移所用的时间，就可以检验这个物体的速度是否随时间均匀变化。 但是，对于当时滴水计时的方法来说，自由落体太快了。伽利略就采用了一个巧妙的方法，来“冲淡”重力。他让铜球在阻力很小的斜面上滚下，这样，小球的加速度就比竖直下落小的多，用的时间就更长，所以容易测量。 伽利略做了几百次实验，得到以下几个事实：
到了这里，由于倾角过大，时间已经不能准确测量，伽利略开始进行思想实验：就是在思想中，让斜面的角度不断增大，直到90度！ 由于在斜面上总是匀加速运动，那么进行合理的外推，倾角变大，当倾角到了89.9度，甚至90度，同样应该是匀加速运动！倾角是90度，也就成了自由落体运动。 由此证明，自由落体运动是一种匀变速直线运动！ 07总结伽利略的逻辑和实验使人钦佩、令人信服，但是很多人又不禁疑惑：“为什么生活中重的物体比轻的物体下落快呢？” 这是因为空气阻力的存在，空气阻力占物体重力的比例不同，会造成物体下落加速度的不同。没有空气阻力的话，所有物体下落的一样快。 这就要靠下一个伟大的物理学家——牛顿——的理论了！ 而牛顿，就是在伽利略逝世的这一天提早降生的！（提早是因为，牛顿是早产儿~） 现在，已经有实验验证了： 在真空的环境下，一根羽毛和一个铁块从同一高度同时自由下落，会以同样的速度同时落地！ 伽利略的自由落体理论得到完美的验证。
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