Question

自由落体理论：伽利略改变了人们对重力的认识

Answer 1

伽利略落体实验（jiā lì lüè luò tǐ shí yàn）

伽利略自由落体实验需要重新进行设计和测定

摘要：本文从万有引力起源于电场力的理论角度分析得出，由于物体之间存在结构上的疏密程度差异，必然影响到物体内部裸核粒子的带电能力，进而得出两个质量相同的物体因为结构疏密程度上的差异会使物体的两性电量和产生差异，在相同的引力场中将会产生不同的引力加速度，说明了物体之间的万有引力作用并不都是严格地遵循万有引力定律，因此伽利略自由落体实验需要重新进行设计和测定。

关于落体运动，古希腊哲学家亚里士多德仅仅凭借直觉和观感，过去作出过这样的结论：重的物体下落速度比轻的物体下落速度快，落体速度与重量成正比。

1590年，伽利略在比萨斜塔上做了「两个铁球同时落地」的实验，得出了重量不同的两个铁球同时下落的结论，从此推翻了亚里士多德「物体下落速度和重量成比例」的学说，纠正了这个持续了1900多年之久的错误结论。关于自由落体实验，伽利略做了大量的实验，他站在斜塔上面让不同材料构成的物体从塔顶上落下来，并测定下落时间有多少差别。结果发现，各种物体都是同时落地，而不分先后。也就是说，下落运动与物体的具体特征并无关系。不管木制球或铁制球，假如同时从塔上开始下落，它们将同时到达地面。伽利略通过反复的实验，以为假如不计空气阻力，轻重物体的自由下落速度是相同的，即重力加速度的大小都是相同的。

我们如果从牛顿的万有引力定律分析自由落体的运动规律，任意两个物体之间都遵循着万有引力定律，轻重不同的两个物体在地球的引力场中做自由落体运动都将获得相同的加速度，所以实验得出大小两球同时落地的结果是符合万有引力定律的。就是说伽利略的实验结论和从万有引力定律所做的理论分析是完全一致的，从这一点来讲，伽利略的实验是正确的。但是，万有引力定律完全成立是需要一定的条件的，必须假定任意两个中性物体之间的相互作用都是完全遵从万有引力定律的，任意两个物体场都与地球场作用的规律完全相同，而本来不然。

关于重力加速度的公式可以利用牛顿的万有引力定律推汇出来。

地球上空的物体在以地心为描述其运动的参照点时，如果它是围绕地球做匀速圆周运动，物体在与地心连线的方向上受到的合外力是一个指向地球中心的向心力，

这个向心力由物体与地球之间的万有引力提供，即 F向 = F引 ，根据向心力遵循的牛顿第二定律公式：F=ma和万有引力定律公式： 可得，

在上面的式子中，M是地球质量，m是物体的质量，R是地球半径，h是物体距离地面的高度，g是物体围绕地球做匀速圆周运动产生的向心加速度，也即物体在此处的重力加速度，N是引力常量。

再来看一下地面上空的物体做自由落体运动的情况，这种情况地球对物体的万有引力大于物体在该位置环绕地球做匀速圆周运动所需要的向心力，因此物体将做自由落体运动。物体自由下落受到的合外力仍然为：

F合 = F万

从上面推汇出来的物体重力加速度的公式中可以看出，在地面上空同一高度的两个物体，无论物体的质量、大小、结构、密度怎样，它们获得的重力加速度都是完全相同的。

因为依照场之间的作用规律，物体之间的万有引力作用实际上是借助于物体之间的场产生作用。同样对于任意两个物体与地球之间的万有引力作用，也是借助于场产生作用。只有任意两个物体自身所带的场与地球场之间产生的万有引力作用都具有完全相同的规律时，万有引力定律才是严格成立的，产生的重力加速度才能够总是完全相同，两球才能够同时落地。但实际情况是，万有引力规律只是一种近似，任意两个物体场与地球场之间的作用规律一般来讲并不完全严格的遵从万有引力定律，产生的重力加速度会存在一定差异，所以，严格来讲，任意两个物体从同一高度做自由落体运动并不是同时落地