1590年，伽利略在比薩斜塔上做了“兩個鐵球同時落地”的實驗，得出了重量不同的兩個鐵球同時下落的結論，從此推翻了亞里士多德“物體下落速度和重量成比例”的學說，糾正了這個持續了1900多年之久的錯誤結論。

伽利略通過反復的實驗，認為如果不計空氣阻力，輕重物體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

16世紀，意大利學者伽利略對亞里士多德的看法提出了質疑，並對自由落體運動進行了深入的研究。伽利略對自由落體運動的研究方法大體可歸結為以下幾點：

發現問題 伽利略發現亞里士多德的觀點有自相矛盾的地方。伽利略認為，如果亞里士多德的觀點是對的，即重物比輕物下落得快，那麼把重物和輕物拴在一起下落，它們將是什麼結果呢？照亞里士多德的說法，重物下落得快，輕物下落的得慢，由於兩物拴在一起，“輕的”被“慢的”拉著，“慢的”被“快的”拖著，所以兩物拴在一起的速度應是不快不慢。同樣，照亞里士多德的說法，兩物拴在一起，應該是更重了，那它們應該下落得更快。這兩個結論都是由亞里士多德的論斷推出來的，但得到的卻是互相矛盾的結果。可見，亞里士多德的觀點是錯誤的。

提出假設 伽利略認為，重物與輕物應該下落得同樣快。他猜想落體運動應該是一種最簡單的變速運動，物體的速度應該是均勻變化的。但是，速度的變化怎樣才算是均勻的呢？他考慮了兩種可能：一種是速度的變化對時間來說是均勻的，即v與t成正比；另一種是速度的變化對位移來說是均勻的，即v與x成正比。

數學推理 伽利略通過數學運算得出：如果v與x成正比，將會得到荒謬的結論；如果v與t成正比，它通過的位移x就與t2成正比。

實驗驗證 為了便於測量時間，伽利略設法用斜面做實驗。他在木製斜槽上蒙上羊皮紙，讓銅球從光滑的羊皮斜槽上滾下，通過上百次對不同質量的小球沿不同傾角的光滑斜面越大的定量研究，發現小球沿光滑斜面運動時通過的位移x確實與t2成正比，小球的運動是勻變速直線運動，且傾角一定不同小球的加速度一定，傾角越大加速度越大。

合理外推 伽利略將他在斜面實驗中得出的結論做了合理的外推：設想斜面的傾角越接近900，小球沿斜面滾下的運動就越接近於自由落體運動；當斜面的傾角達到900時，小球就做自由落體運動。從而，自由落體運動是初速度為0的勻加速直線運動，且所有物體自由下落時的加速度都相同。

伽利略首先運用理想實驗的方式進行邏輯推理，從推理中發現物體下落的快慢和它的重量無關。伽利略設想，如果亞里士多德的觀點是正確的，那麼，讓輕重不同的兩個物體下落時，重的物體下落快，輕的物體下落慢。可是，把它們綁在一起讓其下落會出現什麼情形呢？按照亞里士多德的觀點，綁在一起後的物體會比原來重的物體更重，所以它們就比重的物體下落得快。可是，從另一方面分析，綁在一起後，由於重的物體要帶動輕的物體運動，它們應該比重的物體下降得慢一些。這顯然是兩個互相矛盾的結論。

無論如何，綁在一起的兩個物體只能以一個速度下落，而推理的過程又是完全正確的，因此推理的前提必然是錯誤的。伽利略由這個推理得出結論：物體下落的快慢與重量無關，所有物體下落快慢都是相同的。 伽利略的論斷後來得到了實驗證實。當抽氣機發明之後，人們就用一根長玻璃管，給管中裝入羽毛和鉛塊，將玻璃管密封，抽出其中的空氣，使內部形成真空。此時如果讓羽毛和鉛塊在管中下落，就會看到它們下落的快慢是相同的。 伽利略並不滿足於得到的定性結論，他又繼續研究物體下落運動的定量規律，探索下落距離和所用時間的關系。

前已說過，伽利略那個時代還沒有計時的鐘，那麼伽利略是怎樣測量時間的呢？ 為了測量時間，伽利略在一個大的盛水桶底部鑽一個小孔，並安上龍頭，在龍頭下面放上接水容器。打開龍頭水就會流入接水容器，稱量容器中所接水的質量就可以確定經歷的時間。 物體下落時運動很快，經歷時間也極短。用伽利略的計時裝置對落體運動進行精確研究是辦不到的。怎麼辦呢？伽利略又想出了一個“沖淡重力”的方法。他仔細觀察小球在斜面上的運動時發現，斜面越陡，小球運動得越快。伽利略想，如果斜面是垂直的，那麼它的運動就是小球的下落運動。

因此，小球下落運動可以看作是小球斜面運動的一種特殊情況。因此用斜面做實驗就可以研究物體下落的規律。做斜面實驗時，斜面的傾斜度可以任意調節，調節到較小的傾斜度時，小球在斜面上運動就比較緩慢，此時用他的計時裝置就可以進行較為精確的研究。伽利略反復進行斜面實驗，測量出小球在斜面上運動的距離和所用時間，通過推導距離、時間、速率和加速度之間的關系，伽利略得到小球沿斜面滾下或自由下落的運動都是勻加速運動的結論，又進一步發現了物體下落運動的規律——自由落體定律。即物體從靜止狀態開始下落運動，物體運動的距離同下落的時間的平方成正比。

自由落體定律的發現是伽利略把科學實驗和理性思維相結合解決物理學問題的典範。它不僅發現了物體下落運動的客觀規律，而且為人類認識自然找到了一條正確的途徑和方法，因此，現在人們稱伽利略為物理學之父。正是由於伽利略創立的科學方法，物理學研究才走上正確道路。