伽利略钟摆故事给了我们什么启示？

先说点话题外的话

古代的计时器，总是需要常设一个人看着。在《长安十二时辰》里面我们能很明显地看到。所有的人都在忙碌，只有计时官心无旁骛，只盯着滴漏的刻度， 就这么坐十二个时辰。 看着都替他腰疼。

生活在古代的人们，要靠听 “更鼓” 来确定时间，也就是古代整点报时的鼓声。在欧洲的城市里，负责报时的则是 教堂钟。 这些在影视作品中出现的次数数不胜数，大家肯定都不陌生。

参观过北京钟鼓楼（或者别的老城市的钟鼓楼）的小伙伴都知道，鼓楼上真正计算时间的仪器，是一个多层的滴漏。

北京鼓楼上的长这样：

这是一个宋代滴漏的复制品。最下面右侧的桶状容器，上面的尺子随着水的增加而上浮，可以显示时间，左侧的铜钹小人可以整点报时。

这种宋代的水钟，已经处于很高级的阶段了。最早的滴漏，不论是在中国，还在埃及、波斯等古老文明中，从公元前数百年就有了。

古代的计时器，比如水钟、滴漏、沙漏，都是以重力为动力的计时器。重力是一种恒力，地球表面处处大致相等，所以让定量的水或者沙子漏完的时间也一样。 水滴计时不准，就需要结合日晷、天象来校准。

在稍晚的 历史 中，水滴计时衍生出了五花八门的机械花样。比如上面的那种带敲锣小人的水钟。还有下面这个水钟， 轮漏每个小时满溢一次，可以整点报时。

时间的“滴答滴答”（Tik! Tok!）的律动感，最早就是拜擒纵器所赐。它通过各种各样的机械设计，把 连续的运动转化为有规则的律动。

李约瑟在《中国科学技术史》写到，世界上最早的擒纵装置，出自 唐朝天文学家、僧人一行之手。 一行将擒纵器用在了他的水运浑天仪上。

伽利略钟摆

1582年，那时的伽利略可不是上图里的老头子，而是个在意大利比萨读大学的18岁小鲜肉。

一天，他在比萨大教堂做礼拜，悬挂在教堂天花板的一盏吊灯吸引了他的注意。

微风一吹,吊灯来回摆动。敏锐的伽利略发现，随着时间流逝,吊灯摆动的 幅度 也逐渐 减小 ，但 往返摆动一次所需要的时间却似乎都一样 。]]

伽利略按住脉搏粗略计算了一下，果然验证了他的直觉。不等礼拜做完，他就急忙跑回家做了一系列实验研究摆动规律，最终发现：

只要吊东西的绳子长度不变， 无论所吊东西的重量、摆动的角度大小和摆动的周期怎样变化， 完成一次摆动的时间都是相同的。

这就是人类精确计时的基础：“ 摆的等时性 ”原理。是 好奇心驱 使伽利略发现了摆的等时性原理。后来,伽利略想过利用这个原理发明摆钟,可惜的是,没过多久他就去世了,这个想法也没能实现。

下面是伽利略钟摆原理图

到了17世纪,荷兰的物理学家、数学家惠更斯发明了世界上第一个摆钟。他重新针对摆的等时性原理进行了试验,他发现伽利略的这个解释存在一些误差,因为只有在摆的角度比较小(小于5°)的情况下,这个说法才能成立。惠更斯解决了这些问题,并开始寻找方法,把这项研究应用到机械上。果然,惠更斯设计出了严格等时的摆钟结构,并于1657年发明了摆钟,这座摆钟的精确度是当时欧洲计时器的一百倍。

擒纵机构的主要功能是当摆锤摆到右侧时，带动擒纵叉向右转动将转动的擒纵轮擒住（关），而当摆锤向左摆时，带动擒纵叉向左转动，此时右侧是擒纵叉松开（开）擒纵轮，左侧的擒纵叉则会再次擒住擒纵轮，整个擒纵机构就是如此往复运行的。

擒纵轮是作为一个储能装置为摆锤提供动力，当擒纵轮向前转动一下，秒针就会精确的在钟面上用一秒移动一格，这就是摆锤的作用，擒纵轮的转动带动摆锤以及通过齿轮带动秒针，分针和时针转动计时。

伽利略钟摆故事给了我们什么启示

启示1：钟摆利益说（这一点说法来自，张求全，钟摆的故事）

小王和老李是邻居。按照“远亲不如近邻”的 游戏 规则，产生了“钟摆①”现象。　　老李是动能的“第一摆。”　　

当老李推动第一摆时，按照伽利略先生的“钟摆等时性”公式，构成了两家的“锤”②的运动力。　　

一天，小王计算“钟摆等时性”出现误差，所以失去了中心值，让两家的和谐关系“停摆。”　　

房产中介公司任总上门亲自调解，希望他们各自退一步，消灭矛盾，彻底解决。　　

小王和老李均投反对票，表示坚决捍卫利益，提高战斗的实力，直到彻底消灭对方，或将对方纳为奴隶③④。　　

冠状病毒来了，出现了疑似感染者，公安干警封锁了小王和老李的住处，进行全面隔离。　　

在隔离期间内，某种原因，小王又重新计算伽利略先生的“钟摆等时性”公式，并获得中心值的正确答案，充当了第一摆的角色。　　

两家的关系又重新“钟摆”了起来。　　

①摆是一种实验仪器，可用来展现种种力学现象。最基本的摆由一条绳或竿，和一个锤组成，重量是确定的。　　

②锤，比喻成利益中心值，重量确定，在范围内活动。　　

③范围可以用来计算。

④摆的长短决定范围。

⑤可寓意利益分配

启示2：用实验的方法来研究科学，倡导数学与实验相结合

伽利略后来又不断在物理学、天文学、数学等领域做出了重大贡献。但是在被神学思想禁锢的时代，科学有时候会威胁到当权者的利益，所以这位本该受人尊敬的科学家，因为一些言论触怒了罗马教廷，被宗教裁判所诬陷，并处以八年软禁，年迈时饱受煎熬。直到1979年，罗马教廷才为伽利略平冤昭雪，承认346年前对他的审判是错误的，并为他恢复名誉。

伽利略说过：“世界是一本以数学语言写成的书。”这位近代物理学的奠基者，一生都重视数学在探求自然奥秘中的作用。

像其先驱者哥白尼、开普勒一样，他是用几何而不是代数的语言来阐释自己的思想的。他深信在自然现象的研究中数学、特别是几何学的重要性。受他那个时代数学思潮、实验思潮的影响，伽利略把数学和实验结合起来，从而开创了近代数理实验科学的第一个成功范型——经典动力学。

伽利略对17世纪的自然科学和世界观的发展起了重大作用。从伽利略 、牛顿开始的实验科学，是近代自然科学的开始。伽利略所倡导的数学与实验相结合的研究方法，是他在 科学上取得伟大成就的源泉，也是他对近代科学的最重要贡献 。这种严密的科学研究方法与逻辑体系开启了近代科学的大门，伽利略也因此被尊为 现代科学之父 。

爱因斯坦说伽利略最伟大的成就，在于开创了一种思维模式。 伽利略用一种开创性的思维方式，创造了一种解释自然界复杂现象的方法，为人类推开了近代科学的大门。爱因斯坦在《物理学的进化》中将其评论为 “人类认知史上最伟大的成就之一”。

启示3：好奇心是驱动人类科学发明的源头。

居里夫人曾说过：“好奇心是学习者的第一美德”。亚伯拉罕·弗莱克斯纳说，从整个科学发展的 历史 来看，真正最伟大、最终被证明对人类极具价值的科学发现，并非来自于受实用性驱动的科学家，而是来自于受好奇心驱动的科学家。

爱因斯坦小时候迷上罗盘，牛顿小时候唯一的爱好就是手工，达尔文是个喜欢在蚂蚁窝前蹲一天的孩子。

科学的体系和方法论是在西方产生的。曾经有一个著名的“李约瑟之问”：中国这样一个 历史 上长期经济发达、技术成就也很高的国家，为什么没有产生科学？应该说中国也是一个有创意、有梦想的民族，从远古时期的神话传说到《封神榜》《西游记》，都充满了神奇的想象和创意。我从牛郎织女的故事里，仿佛也看到了相对论的影子——牛郎星和织女星之间搭建的鹊桥，多么像霍金所说的时空隧道！

叶圣陶先生曾经说“发明千千万，起点是一问”，我们的教育应更多地给孩子创造出一个滋养好奇心的环境，促使孩子在好奇心的驱使下不断学习、思考孩子能做到的远远超出你的想象。

爱因斯坦曾说：“我自己并没有什么特别的，只是充满了一种好奇心而已。”这就是创新的精髓啊！好奇心是科学创造路上的引路人。在教育中，不一定总让孩子们循规蹈矩、不越雷池，要充分鼓励他们的好奇心，这样才有利于未来创新人才的培养。

结语

在漫长的 历史 中，人们追求计时的准确，无非是在追求某件东西能够以恒定的速度运动——漏下的沙子或水、不息的钟摆……以此来度量永恒而均匀地流逝的时间。

直到有一天（1905年），一个26岁的小年轻宣告：时间的流逝速度并非均匀恒定，而是依物体的运动速度（不同的惯性参考系）而变的。这个年轻人就是爱因斯坦。

或许，相对论和之后的物理学，对我们还有更大的启示。除了准确计时之外，时间的新领域也被打开了。相对性、多维时空、非线性时间……人类对时间的 探索 永无止境。

到了不久的将来， 当人类向太空进发，以地球为基准的时间也终将被废除。 就像科幻电影《火星救援》中的计时方式那样，宇航员是这么开始他的日志的：第494个火星日，晴……

创新需要一定的灵感，而灵感不是天生与之俱来的，而是来自长期的积累与全身心的投入，没有积累就不会有创新。我们不应满足于现状而停滞不前，人生难得几回搏，现在应做的是在这美好时光中认真努力的摄取更多知识，铺垫下一块又一块石头，未来我们将踩着这一块块的石头为祖国的繁荣富强贡献出自己的一份力量！

单摆等时性的发现，奠定了制造摆钟的坚实基础，为人类更加精确地测量时间开辟了道路。伽利略就曾经提出利用单摆的等时性制造钟表，并且让他的儿子维琴佐和维维安尼设计了制造钟表的图纸，但是，他们却没有把钟表制造出来。后来，荷兰物理学家惠更斯从理论和实验两个方面进行了大量研究，得出了单摆的周期公式，并不断改进技术，于1656年制造出人类有史以来第一个摆钟，使伽利略制造钟表的设想变为现实。惠更斯把制造的“有摆落地大座钟”献给了荷兰政府。1657年，他取得了摆钟的专利权。

自从摆钟问世以来，钟表经历了几代的变迁。人们不断改变钟表的制造技术，使它的精密度越来越高。从摆钟到座钟，从壁钟到挂钟，从怀表到各种各样的手表，从机械钟到电子钟，又从电子钟到原子钟，可谓变化万端。但是钟表运行的原理都是利用了某种周期性现象。摆钟靠摆锤的摆动计时，机械手表靠摆轮和游丝计时，电子表靠电磁振动计时，石英钟靠石英晶体的振动计时，原子钟靠电子在原子内跃迁时发光的频率来计时，它的振动频率最稳定，已成为世界上精度最高的钟。

对我们的启示

通过上面的探究过程我们可以发现，测量时间首先要确定时间的标准，也就是找到周期性现象的周期。同样，其他物理量的测量也是如此。测量长度，要先确定长度标准；测量质量，要先确定质量标准；测量温度，要先确定温度标准等等。然后根据这些标准就可以制造出相应的测量工具，使我们在生活和实验室中方便的测量这些物理量了。这真是，看似简单的钟表、刻度尺、温度计里面，还蕴含着这么多的道理呢！

伽利略把观察和实验引入到问题研究中来，建立起了科学的物理学，使伽利略成为物理学的创始人。摆钟的诞生标志着人类对时间的测量进入崭新阶段，从此，人类更加明确地建立起时间观念， 社会 生活的节奏也更加紧凑。现在世界上能有这种最普遍和最有用的发明——摆钟，既要感谢教堂里那盏摆动的吊灯，更是依赖于伽利略的观察思考和实验 探索 。

角动力守恒

人类对计时的发现和手段很早就有了，伽利略对钟摆的思考，不是它能计时，而是他猜测不同摆幅的单摆时间可能是相同的，即相同摆长的摆，它的摆动幅度与时间周期无关，这点并非那么容易证明。伽利略类似的思考贡献，是匀加速运动距离与时间的比例关系，正是从这个研究推导出落体原理的。

後来科学的计算证明，简谐振动的确是精确的计时模型，但单摆要作为简谐振子，要求它的摆幅不能太大，不过在通常的摆动幅度下，这种近似已足够实用，单摆的结论是，周期由摆长和当地重力加速度联合确定。这就证明了伽利略的思考是对的，他的观察相当敏锐，伟大科学家的素质体现在这里。

不要作空洞的感慨，抒情是不能解决问题的。