基于智能手機(jī)設(shè)計(jì)伽利略單斜面實(shí)驗(yàn)

潘冬煒

(佛山市實(shí)驗(yàn)中學(xué) 廣東 佛山 528000)

李鑄勛

(松山湖實(shí)驗(yàn)中學(xué) 廣東 東莞 523000)

梁梓聰

(佛山市實(shí)驗(yàn)中學(xué) 廣東 佛山 528000)

基于智能手機(jī)設(shè)計(jì)伽利略單斜面實(shí)驗(yàn)

潘冬煒*

(佛山市實(shí)驗(yàn)中學(xué) 廣東 佛山 528000)

李鑄勛

(松山湖實(shí)驗(yàn)中學(xué) 廣東 東莞 523000)

梁梓聰

(佛山市實(shí)驗(yàn)中學(xué) 廣東 佛山 528000)

研究設(shè)計(jì)了基于智能手機(jī)的伽利略單斜面實(shí)驗(yàn)，利用智能手機(jī)APP軟件“Motion shot”直接得到初速度相同的物體在不同粗糙程度的水平軌道上的運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)近及速度變化圖片．通過(guò)圖片分析得出,摩擦力越小，物體運(yùn)動(dòng)得越遠(yuǎn)，速度減小得越慢的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，為進(jìn)行牛頓第一定律的邏輯推理奠定基礎(chǔ)．

智能手機(jī) 斜面實(shí)驗(yàn) 牛頓第一定律

伽利略單斜面實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理教學(xué)中的重要實(shí)驗(yàn)之一，其中蘊(yùn)含著研究物理問(wèn)題的基本思維方式和嚴(yán)密的科學(xué)方法——“實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)邏輯推理”相結(jié)合[1]．傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法：在水平桌面鋪上粗糙程度不同的接觸面，讓物體自斜面頂端從靜止開(kāi)始滑下．觀察物體從同一高度滑下后，在不同表面運(yùn)動(dòng)的距離，利用物體運(yùn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短判斷其速度變化情況[2]．由此為牛頓第一定律的邏輯推理作鋪墊．本文在傳統(tǒng)伽利略單斜面實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),設(shè)計(jì)了方便使用、易于操作、視覺(jué)直觀、思維直接的基于智能手機(jī)的伽利略單斜面實(shí)驗(yàn)，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)輕松突破學(xué)生理解障礙，搭建學(xué)生推理牛頓第一定律的認(rèn)知平臺(tái)．

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想

伽利略進(jìn)行的單斜面實(shí)驗(yàn)實(shí)際上是一個(gè)漫長(zhǎng)的探究過(guò)程.歷史不斷發(fā)展前進(jìn)，在科學(xué)探究時(shí)，除了“還原”歷史、復(fù)制古代的技術(shù)發(fā)明進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證外，還要善于在不改變當(dāng)時(shí)物理思想的前提下使用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)探究過(guò)程有效性的最大化[1]．鑒于此，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用自制的伽利略單斜面實(shí)驗(yàn)教具和智能手機(jī)結(jié)合，應(yīng)用到智能手機(jī)的攝像頭，在軟件“Motion shot”的輔助下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直接獲得初速度相同的物體在不同粗糙程度的水平軌道上的運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)近及速度變化圖片，圖文并茂更利于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，深入分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以為牛頓第一定律的邏輯推理奠定基礎(chǔ)．

2 實(shí)驗(yàn)器材

拍攝系統(tǒng)：三腳架,智能手機(jī)．

自制單斜面實(shí)驗(yàn)教具：5號(hào)2 m長(zhǎng)PVC線槽3條,斜坡升降墊1個(gè),毛毯布1張,珊瑚毯1張,EVA材質(zhì)球(直徑6 cm)3個(gè),水平木板1塊,鋼尺．

3 實(shí)驗(yàn)原理

3.1單斜面實(shí)驗(yàn)教具的制作

先將3條PVC線槽利用熱熔膠槍分別固定于水平木板與斜坡升降墊上；接著在其中兩條PVC線槽上分別鋪上毛毯布、珊瑚毯；最后利用熱熔膠槍將4把鋼尺做成井字型作為讓3個(gè)小球從同一高度出發(fā)的輔助工具．

3.2拍攝系統(tǒng)

與現(xiàn)代人形影不離的智能手機(jī)中擁有很多強(qiáng)大的硬件和豐富的APP軟件，使其適用于物理實(shí)驗(yàn)中．例如本文應(yīng)用到的智能手機(jī)APP軟件——“Motion shot”,該軟件是一款可捕捉運(yùn)動(dòng)短片，然后通過(guò)特定算法自動(dòng)合成一張連貫動(dòng)作照片的相機(jī)軟件．此外，該軟件還能對(duì)拍攝后的圖像進(jìn)行處理，選擇所要合成照片的張數(shù)(該軟件一次最多能合成12張照片)．

4 實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程

(1) 將單斜面實(shí)驗(yàn)教具放置于水平桌面上，調(diào)整好斜坡升降墊的高度，利用井字型鋼尺使3個(gè)EVA小球分別在不同導(dǎo)軌的同一高度出發(fā)(以保證3個(gè)小球進(jìn)入水平軌道時(shí)的初速度相同)，如圖1所示.

圖1 用井字型鋼尺調(diào)節(jié)小球位置

(2)利用三腳架將智能手機(jī)固定好(使手機(jī)進(jìn)行錄制時(shí)保持足夠穩(wěn)定，以致合成的照片效果更好)，并同時(shí)打開(kāi)智能手機(jī)軟件“Motion shot”準(zhǔn)備對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行錄制，實(shí)驗(yàn)裝置整體如圖2所示.

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置整體圖

(3)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，井字型鋼尺離開(kāi)小球的同時(shí)，錄制者開(kāi)始錄制，直至小球運(yùn)動(dòng)結(jié)束.

(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，等待手機(jī)分析結(jié)果，可通過(guò)調(diào)整所需合成照片的張數(shù)，如圖3所示，選擇效果最佳的作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果用作分析，如圖4所示．

圖3 照片合成

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

(5)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在物體進(jìn)入水平軌道時(shí)初速度相同的情況下，物體所受摩擦力越小，運(yùn)動(dòng)得越遠(yuǎn)，速度減小得越慢.

5 實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

5.1突破障礙搭建平臺(tái)

傳統(tǒng)的伽利略單斜面實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變化較快,給學(xué)生獲取與理解該實(shí)驗(yàn)規(guī)律帶來(lái)一定障礙.本實(shí)驗(yàn)巧妙方便地將數(shù)碼攝像和頻閃照片應(yīng)用于伽利略單斜面實(shí)驗(yàn)，即時(shí)地獲得物體在不同粗糙程度的水平軌道上的運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)近及速度變化圖片．在實(shí)際教學(xué)中，從本實(shí)驗(yàn)親自制作的頻閃照片中可以直觀看出每個(gè)物體速度的變化情況，再加以理論推導(dǎo)更容易使學(xué)生接受，輕松突破學(xué)生理解障礙，為搭建牛頓第一定律的邏輯推理平臺(tái)作鋪墊．

5.2器材易得操作簡(jiǎn)單

傳統(tǒng)的頻閃照片制作大多先依賴單反相機(jī)或?qū)I(yè)高速攝影機(jī)的高速連拍功能獲取圖片，再利用計(jì)算機(jī)軟件(如：Free Video to JPG Converter以及Photoshop)進(jìn)行合成.這種方法成本較高，實(shí)際操作起來(lái)較為困難[3]．在運(yùn)用課堂上，現(xiàn)代教育技術(shù)與物理教學(xué)整合是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)，本實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性地與智能手機(jī)軟件“Motion shot”結(jié)合，將“人手一部”的手機(jī)作為制作頻閃照片的實(shí)驗(yàn)儀器，所需的實(shí)驗(yàn)器材簡(jiǎn)單易得，并且操作簡(jiǎn)單，具有巨大的推廣價(jià)值．

6 總結(jié)

本研究設(shè)計(jì)了基于智能手機(jī)的伽利略單斜面實(shí)驗(yàn).通過(guò)手機(jī)得到物體運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)近及速度變化圖片，更利于學(xué)生的觀察與研究；實(shí)驗(yàn)圖片數(shù)據(jù)可任意截圖存儲(chǔ)，也可直接手機(jī)同屏器在大屏幕進(jìn)行投影;手機(jī)相比專業(yè)拍攝頻閃照片的數(shù)碼攝像相機(jī)價(jià)格更低廉、攜帶更方便．

除了“Motion shot”，智能手機(jī)的其他軟件也可以應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)中，例如有研究者利用加速度傳感器手機(jī)軟件探究電梯中的超重與失重現(xiàn)象[4]．設(shè)計(jì)基于智能手機(jī)的物理實(shí)驗(yàn)，將人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡闹悄苁謾C(jī)投入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將會(huì)引起學(xué)生極大的興趣，使其較易克服思維障礙，較快掌握物理規(guī)律，會(huì)給教學(xué)帶來(lái)更大的便利，提供更多更好的素材.

1 劉煥奇.基于DIS設(shè)計(jì)伽利略“斜面實(shí)驗(yàn)”在教學(xué)中的應(yīng)用.中學(xué)物理教學(xué)參考,2014,43(11):52～54

2 馬艷華. 解讀伽利略的斜面實(shí)驗(yàn). 物理教師, 2014,35(5): 68～69

3 錢(qián)佳偉,顧靈溪. 運(yùn)用高速攝像和計(jì)算機(jī)軟件制作頻閃照片. 物理通報(bào),2016(2):81～85

4 江敏麗,吳先球. 用智能手機(jī)探究電梯中的超重與失重現(xiàn)象. 物理通報(bào),2016(12):108～110

2017-04-20)

潘冬煒(1991- )，男，碩士，中教二級(jí)，主要研究方向?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)教學(xué).