自由落体实验

科学研究实验

不受任何阻力，只在重力作用下而降落的物体，叫“自由落体”。如在地球引力作用下由静止状态开始下落的物体。地球表面附近的上空可看作是恒定的重力场。如不考虑大气阻力，在该区域内的自由落体运动是匀加速直线运动。其加速度恒等于重力加速度g。虽然地球的引力和物体到地球中心距离的平方成反比，但地球的半径远大于自由落体所经过的路程，所以引力在地面附近可看作是不变的，自由落体的加速度即是一个不变的常量。它是初速为零的匀加速直线运动。

发展

亚里士多德

对自由落体最先研究的是古希腊的科学家亚里士多德，他提出：物体下落的快慢是由物体本身的重量决定的，物体越重，下落得越快；反之，则下落得越慢。

落体实验古希腊思想家亚里士多德（公元前384—322年）曾经断言：物体从高空落下的快慢与相同物体的重量成正比，重者下落快，轻者下落慢。比如说，十磅重的物体落下时要比一磅重的物体落下快十倍。1800多年来，人们都把这个错误论断当作真理而信守不移。

意大利某数学家

事实上，自由落体实验在伽利略以前就有人做过，并留下了史学记载。1576年，意大利有一位数学家在他的著作中提到自己做过自由落体实验。他是将重20磅与重1磅的铅球从同一高度释放，结果在同一时刻落地，他还表示他没法拯救亚里士多德的教义。

荷兰斯悌文

斯悌文是荷兰物理学家，对静力学作过深入研究，非常重视实验和实际应用。

荷兰的斯悌文在他1586年的著作中曾明确地记载有自由落体实验：“反对亚里士多德的实验是这样的，让我们拿两只铅球，其中一只比另一只重10倍，把它们从30英尺的高度同时丢下去，落在一块木板或有什么可以发出清晰响声的东西上面，那么，我们就会看出轻球并不需要用重铅球10倍的时间，而是同时落到地板上，因此它们发出的声音听上去就像是一个声音一样。”

不过，斯悌文并没有根据落体实验作进一步的理论探讨。

伽利略

亚里士多德的理论影响了其后两千多年的人，直到16世纪，物理学家伽利略（公元1564—1642年）才发现了这一理论在逻辑上的矛盾，提出了相反的意见。伽利略在1636年的《两种新科学的对话》中写道：

如果依照亚里士多德的理论，假设有两块石头，大的重量为8，小的为4，则大的下落速度为8，小的下落速度为4，当两块石头被绑在一起的时候，下落快的会因为慢的而被拖慢。所以整个体系和下落速度在4-8之间。但是，两块绑在一起的石头的整体重量为12，下落速度也就应该大于8，这就陷入了一个自相矛盾的境界。

伽利略由此推断物体下落的速度应该不是由其重量决定的。他在书中设想，自由落体运动的速度是匀速变化的。

伽利略说，假如一块大石头以某种速度下降，那么，按照亚里士多德的论断，一块小些的石头就会以相应慢些的速度下降。要是我们把这两块石头捆在一起，那这块重量等于两块石头重量之和的新石头，将以何种速度下降呢。

如果仍按亚里士多德的论断，势必得出截然相反的两个结论：一方面，新石头的下降速度应小于第一块大石头的下降速度，因为加上了一块以较慢速度下降的石头，会使第一块大石头下降的速度减缓；另一方面，新石头的下降速度又应大于第一块大石头的下降速度，因为把两块石头捆在一起，它的重量大于第一块大石头。这两个互相矛盾的结论不能同时成立，可见亚里士多德的论断是不合逻辑的。

伽利略进而假定，物体下降速度与它的重量无关。如果两个物体受到的空气阻力相同，或将空气阻力略去不计，那么，两个重量不同的物体将以同样的速度下落，同时到达地面。

其实，伽利略自己在1591年写的小册子《论运动》中，曾多次提到物体从塔上落下的实验，并对同时落地做出了自己的解释。但他并没有指明这座塔是否就是比萨斜塔，也并没有肯定这个实验是他自己做的。光靠这样一个事实也不足彻底否定亚里士多德的错误诊断。伽利略的高明之处就在于凭借数学的推理，将落体实验转化成斜面实验，从而有可能精确地测量路程和时间的关系，作出判决性的实验结论。

该实验被评为“最美物理实验”之一。

基本特点

体现于“自由”二字上，其含意为：物体开始下落时是静止的即v0=0。如果给物体一个初速度竖直下落，不能算自由落体。物体在下落过程中，除受重力作用外，不再受其他任何作用力（包括空气阻力）。

自由落体的瞬时速度的计算公式为；位移的计算公式为。

通常在空气中，随着自由落体运动速度的增加，空气对落体的阻力也逐渐增加。当物体受到的重力等于它所受到的阻力时，落体将匀速降落，此时它所达到的最高速度称为终端速度。例如伞兵从飞机上跳下时，若不张伞其终端速度约为50米/秒，张伞时的终端速度约为6米/秒。

关于伽利略的自由落体实验，众说纷纭。有人说他用大小相同而重量不等的两球（可能是铁球与木球）得到同时落地的结果；有人说他是用炮弹和枪弹做的实验。有人则过分宣扬这个实验的意义，说他第一个做自由落体实验一举推翻了亚里士多德的错误。

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