巧用生活器材改進(jìn)“伽利略斜面實(shí)驗(yàn)”裝置

胡浩然 盧文靜

摘 ?要：“伽利略斜面實(shí)驗(yàn)”是一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，但是在現(xiàn)有的教材中對(duì)其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有一定的設(shè)備要求，不利于我們快速有效的開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。因此，我們需要通過(guò)運(yùn)用生活器材，對(duì)“伽利略斜面實(shí)驗(yàn)”裝置進(jìn)行改進(jìn)，使其更加容易實(shí)現(xiàn)，便于我們隨時(shí)隨地的開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：伽利略斜面實(shí)驗(yàn);改進(jìn);生活器材

引言

“伽利略斜面實(shí)驗(yàn)”是一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)，是一個(gè)忽略某些客觀(guān)次要因素通過(guò)想象設(shè)計(jì)的一種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。但是它不是憑空產(chǎn)生的，它的核心理論是建立在實(shí)踐基礎(chǔ)上的，其目的是為了通過(guò)理論分析，預(yù)測(cè)理想實(shí)驗(yàn)條件下得出的最正確結(jié)論。它的基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是：一個(gè)小球沿著導(dǎo)軌斜面，從某一高度由靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始下滾，經(jīng)過(guò)“V”型導(dǎo)軌最低處，在慣性作用下沿另一斜面向上滾動(dòng)，到達(dá)略小于原高度時(shí)速度為零，之后再滾回去，往復(fù)這一過(guò)程，每一次到達(dá)極限時(shí)，其高度都比上一次的下滾高度略小，直至停止在“V”型導(dǎo)軌底端。這一實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行ёC明：力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因。這也是牛頓第一定律的基礎(chǔ)，有效的開(kāi)展試驗(yàn)有利于我們更好的理解牛頓第一定律。為保證“伽利略斜面實(shí)驗(yàn)”的有效性和便利性，我們要善于利用生活器材來(lái)改進(jìn)“伽利略斜面實(shí)驗(yàn)”裝置。

一、器材準(zhǔn)備

首先我們需要一個(gè)斜面，我設(shè)計(jì)了兩種方案。一種是運(yùn)用裝修剩余的邊角料，制作一個(gè)木制斜面。這需要一塊長(zhǎng)100cm，寬5cm，厚0.2cm的薄木板;一張課桌;書(shū)本若干;直尺兩把;一顆小鐵球;棉布一張;一支彩筆。

而第二種方法只需要一把鋼卷尺和一顆玻璃球。由于鋼卷尺的承受力有限，一但超過(guò)一定數(shù)值就會(huì)發(fā)生彎曲，使實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行下去，所以我們選用質(zhì)量較輕的玻璃球，而且玻璃球尺寸也剛好能夠在鋼卷尺的凹槽里滾動(dòng)。

二、制作方法

（一）支座安裝

采用第一種方案來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要先將課桌靠墻，將準(zhǔn)備的的書(shū)本分兩摞。一摞擺在課桌的一端，緊靠墻壁。另一摞放在課桌的另一端，將直尺夾在兩張課桌的接縫處，讓書(shū)本緊靠直尺，使直尺起到固定書(shū)本的作用，防止書(shū)本在下一步操作中發(fā)生滑動(dòng)。這樣支座就算安裝好了。

利用鋼卷尺的方案，不需要事先安裝支座。

（二）軌道設(shè)置

在第一種方案中，我們準(zhǔn)備了薄木板，它有較強(qiáng)的柔韌性，我們將它的兩端搭在之前放置好的兩摞書(shū)上，只需將中間輕輕下壓，就能夠形成一個(gè)滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)需求的斜面。若需要固定，可以在薄木板與桌面的接觸部位涂抹膠水。但考慮到實(shí)驗(yàn)的臨時(shí)性，我們需要有兩名同學(xué)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一名壓住木板另一名進(jìn)行下一步操作。

利用鋼卷尺進(jìn)行“伽利略斜面實(shí)驗(yàn)”的軌道設(shè)置，只需將鋼卷尺的拉出一段，將其中的一端固定在墻壁上，輕輕向下一折，就能夠形成一個(gè)“V”型的軌道。為保證軌道的穩(wěn)定性鋼卷尺的彎曲處的最低點(diǎn)要與地面接觸。因此，固定端的高度要充分合理，確保鋼卷尺彎曲段觸地時(shí)，鋼卷尺能夠維持一個(gè)較為合適的坡度。

三、實(shí)驗(yàn)演示及結(jié)果驗(yàn)算

第一種方案的實(shí)驗(yàn)：首先，將白色棉布鋪在木板斜面上，然后用彩筆將小鐵球表面涂色，讓小鐵球從木板的一端由靜止開(kāi)始滾動(dòng)。觀(guān)察小球的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，小鐵球會(huì)在白布上留下滾動(dòng)痕跡，從痕跡顏色的深淺，能夠判斷出是小鐵球第幾次留下的痕跡，從而判斷小鐵球在來(lái)回滾動(dòng)中的變化。將白布撤掉，讓小鐵球從木板的一端同一位置開(kāi)始由靜止向下滾動(dòng)。由于沒(méi)有了白布，減小了接觸面的摩擦力，小球到達(dá)最高點(diǎn)的高度更加接近釋放點(diǎn)的高度。由此我們能夠發(fā)現(xiàn)，接觸面的摩擦力對(duì)小球滾動(dòng)造成的影響。因而，我們可以做出這樣的假設(shè)，如果木板絕對(duì)光滑，那么小球每一次到達(dá)最高點(diǎn)的高度都會(huì)與上一次相同。

我們將固定一側(cè)書(shū)本的直尺抽出，向遠(yuǎn)離另一側(cè)的方向移動(dòng)書(shū)本，下壓點(diǎn)不變的情況下，將小球從墻壁一端的木板上釋放。通過(guò)觀(guān)察我們發(fā)現(xiàn)，小球到達(dá)與之前相同的高度需要運(yùn)動(dòng)更遠(yuǎn)的距離。再次移動(dòng)書(shū)本，使木板坡度更小，重復(fù)上述過(guò)程，小球運(yùn)動(dòng)的距離越來(lái)越遠(yuǎn)。那么我們又可以做出這樣的假設(shè)，當(dāng)我們撤掉一側(cè)的書(shū)本，使木板的一端呈水平狀態(tài)且長(zhǎng)度無(wú)限，同時(shí)木板與小球接觸面的摩擦力為零，當(dāng)釋放小球以后，小球會(huì)不會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去？通過(guò)理論計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摩擦力為零，并且小球不受到其它力干擾的情況下，將一直運(yùn)動(dòng)下去。由此我們能夠得出結(jié)論：運(yùn)動(dòng)不需要力來(lái)維持。

第二種方案的實(shí)驗(yàn)：將玻璃球放置在鋼卷尺的凹槽內(nèi)，利用鋼卷尺原有的刻度，記錄玻璃球開(kāi)始滾動(dòng)的刻度，釋放小球后，要注意不可移動(dòng)鋼卷尺。記錄鋼卷尺幾次滾動(dòng)至最高點(diǎn)的數(shù)值。之后可以提高鋼卷尺的一端，并改變與地面的接觸點(diǎn)，從而達(dá)到與第一種方案中移動(dòng)書(shū)本同樣的效果，合理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)記錄和分析數(shù)據(jù)，我們同樣能夠得出運(yùn)動(dòng)不需要力來(lái)維持的結(jié)論。

對(duì)比兩種方案，第一種能夠改變接觸面的摩擦力大小，可以比較直觀(guān)的感受摩擦力不同帶來(lái)的變化，同時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程也較為穩(wěn)定，得出的數(shù)據(jù)也較為準(zhǔn)確。但是這種實(shí)驗(yàn)方案需要的材料較多，過(guò)程比較復(fù)雜。第二種方案雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)有誤差，但是其實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單易操作，而且實(shí)驗(yàn)材料只需要兩種，還能夠單人完成實(shí)驗(yàn)。

結(jié)語(yǔ)

物理知識(shí)的學(xué)習(xí)需要我們發(fā)揮創(chuàng)造力和行動(dòng)力。尤其是在物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)中，我們不但要明白其中的原理，還要有能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明其正確性的能力，而利用生活器材改進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)，能夠更加方便我們?cè)O(shè)計(jì)和實(shí)施實(shí)驗(yàn)，有效提高我們學(xué)習(xí)物理知識(shí)的效率。

參考文獻(xiàn)

[1] ?楊君，丁慶紅.關(guān)于伽利略斜面實(shí)驗(yàn)的思考[J].物理教師，2018，39（06）：59-62.

[2] ?吉文忠，陳林橋.關(guān)于伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)裝置的探究[J].中學(xué)生數(shù)理化（學(xué)研版），2013（07）：10-11.