巧用生活器材改进“伽利略斜面实验”装置

胡浩然 卢文静

摘  要：“伽利略斜面实验”是一个经典实验，但是在现有的教材中对其实验设计有一定的设备要求，不利于我们快速有效的开展实验。因此，我们需要通过运用生活器材，对“伽利略斜面实验”装置进行改进，使其更加容易实现，便于我们随时随地的开展实验。

关键词：伽利略斜面实验;改进;生活器材

引言

“伽利略斜面实验”是一个理想实验，是一个忽略某些客观次要因素通过想象设计的一种实验设计。但是它不是凭空产生的，它的核心理论是建立在实践基础上的，其目的是为了通过理论分析，预测理想实验条件下得出的最正确结论。它的基本实验内容是：一个小球沿着导轨斜面，从某一高度由静止状态开始下滚，经过“V”型导轨最低处，在惯性作用下沿另一斜面向上滚动，到达略小于原高度时速度为零，之后再滚回去，往复这一过程，每一次到达极限时，其高度都比上一次的下滚高度略小，直至停止在“V”型导轨底端。这一实验能够有效证明：力不是维持物体运动的原因。这也是牛顿第一定律的基础，有效的开展试验有利于我们更好的理解牛顿第一定律。为保证“伽利略斜面实验”的有效性和便利性，我们要善于利用生活器材来改进“伽利略斜面实验”装置。

一、器材准备

首先我们需要一个斜面，我设计了两种方案。一种是运用装修剩余的边角料，制作一个木制斜面。这需要一块长100cm，宽5cm，厚0.2cm的薄木板;一张课桌;书本若干;直尺两把;一颗小铁球;棉布一张;一支彩笔。

而第二种方法只需要一把钢卷尺和一颗玻璃球。由于钢卷尺的承受力有限，一但超过一定数值就会发生弯曲，使实验无法进行下去，所以我们选用质量较轻的玻璃球，而且玻璃球尺寸也刚好能够在钢卷尺的凹槽里滚动。

二、制作方法

（一）支座安装

采用第一种方案来进行实验时，需要先将课桌靠墙，将准备的的书本分两摞。一摞摆在课桌的一端，紧靠墙壁。另一摞放在课桌的另一端，将直尺夹在两张课桌的接缝处，让书本紧靠直尺，使直尺起到固定书本的作用，防止书本在下一步操作中发生滑动。这样支座就算安装好了。

利用钢卷尺的方案，不需要事先安装支座。

（二）轨道设置

在第一种方案中，我们准备了薄木板，它有较强的柔韧性，我们将它的两端搭在之前放置好的两摞书上，只需将中间轻轻下压，就能够形成一个满足实验需求的斜面。若需要固定，可以在薄木板与桌面的接触部位涂抹胶水。但考虑到实验的临时性，我们需要有两名同学来进行实验，一名压住木板另一名进行下一步操作。

利用钢卷尺进行“伽利略斜面实验”的轨道设置，只需将钢卷尺的拉出一段，将其中的一端固定在墙壁上，轻轻向下一折，就能够形成一个“V”型的轨道。为保证轨道的稳定性钢卷尺的弯曲处的最低点要与地面接触。因此，固定端的高度要充分合理，确保钢卷尺弯曲段触地时，钢卷尺能够维持一个较为合适的坡度。

三、实验演示及结果验算

第一种方案的实验：首先，将白色棉布铺在木板斜面上，然后用彩笔将小铁球表面涂色，让小铁球从木板的一端由静止开始滚动。观察小球的运动过程，小铁球会在白布上留下滚动痕迹，从痕迹颜色的深浅，能够判断出是小铁球第几次留下的痕迹，从而判断小铁球在来回滚动中的变化。将白布撤掉，让小铁球从木板的一端同一位置开始由静止向下滚动。由于没有了白布，减小了接触面的摩擦力，小球到达最高点的高度更加接近释放点的高度。由此我們能够发现，接触面的摩擦力对小球滚动造成的影响。因而，我们可以做出这样的假设，如果木板绝对光滑，那么小球每一次到达最高点的高度都会与上一次相同。

我们将固定一侧书本的直尺抽出，向远离另一侧的方向移动书本，下压点不变的情况下，将小球从墙壁一端的木板上释放。通过观察我们发现，小球到达与之前相同的高度需要运动更远的距离。再次移动书本，使木板坡度更小，重复上述过程，小球运动的距离越来越远。那么我们又可以做出这样的假设，当我们撤掉一侧的书本，使木板的一端呈水平状态且长度无限，同时木板与小球接触面的摩擦力为零，当释放小球以后，小球会不会一直运动下去？通过理论计算我们发现，当摩擦力为零，并且小球不受到其它力干扰的情况下，将一直运动下去。由此我们能够得出结论：运动不需要力来维持。

第二种方案的实验：将玻璃球放置在钢卷尺的凹槽内，利用钢卷尺原有的刻度，记录玻璃球开始滚动的刻度，释放小球后，要注意不可移动钢卷尺。记录钢卷尺几次滚动至最高点的数值。之后可以提高钢卷尺的一端，并改变与地面的接触点，从而达到与第一种方案中移动书本同样的效果，合理进行实验。通过记录和分析数据，我们同样能够得出运动不需要力来维持的结论。

对比两种方案，第一种能够改变接触面的摩擦力大小，可以比较直观的感受摩擦力不同带来的变化，同时实验过程也较为稳定，得出的数据也较为准确。但是这种实验方案需要的材料较多，过程比较复杂。第二种方案虽然实验结果会有误差，但是其实验过程简单易操作，而且实验材料只需要两种，还能够单人完成实验。

结语

物理知识的学习需要我们发挥创造力和行动力。尤其是在物理实验的设计学习中，我们不但要明白其中的原理，还要有能够通过实验证明其正确性的能力，而利用生活器材改进物理实验，能够更加方便我们设计和实施实验，有效提高我们学习物理知识的效率。

参考文献

[1]  杨君，丁庆红.关于伽利略斜面实验的思考[J].物理教师，2018，39（06）：59-62.

[2]  吉文忠，陈林桥.关于伽利略理想斜面实验的改进装置的探究[J].中学生数理化（学研版），2013（07）：10-11.