伽利略斜槽實驗演示儀

汪順興

新課程理念越來越注重體驗式教學(xué)，越來越重視實驗教學(xué)，高中人教版《物理》（必修一）中將“伽利略對自由落體運動的研究”單獨列為一節(jié)就是很好的體現(xiàn)，教材用了很大篇幅介紹這段歷史，旨在強調(diào)伽利略的科學(xué)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度。但是，科學(xué)研究中最重要的一環(huán)——實驗驗證卻被教材忽視了，精彩的斜槽實驗在教材中沒有實驗演示，而是用文字陳述，學(xué)生理解起來很抽象，也沒有說服力。于是，為了彌補這個不足，我設(shè)計制作了“伽利略斜槽實驗演示儀”。

設(shè)計目的和思路

伽利略在研究自由落體運動的時候，首先進行了猜想：做自由落體運動的物體其v-t。但是由于實驗條件非常落后，無法測量落體的v，以及所用的時間t。于是，伽利略轉(zhuǎn)換了研究對象并巧妙地證明了：如果做自由落體運動的物體的v-t，那么物體發(fā)生位移x-t²，這樣一來就用可以測量的x替代了不便測量的礦。即便如此，這個時間也太短，而當(dāng)時沒有計時器，時間依然不好測量。于是伽利略設(shè)計了著名的斜槽實驗，成功地“沖淡了”重力的作用，證明了：從斜槽上由靜止釋放的小球其x-t²產(chǎn)也成立的結(jié)論，間接證明了伽利略對自由落體運動的猜想。但是，教材中卻沒有相關(guān)的實驗演示，而是用枯燥的文字敘述代替了實驗，不可信、不嚴謹，顯得虎頭蛇尾。

本教具彌補了教材中缺少的斜槽實驗演示儀，讓伽利略的科學(xué)研究方法完整直觀地呈現(xiàn)，對養(yǎng)成學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度，提高學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)有積極作用。

演示儀簡價

演示儀可以準確地測量小球在斜槽上從釋放到光電門的時間（精確到0.01s），并且巧妙地將2段位移之比設(shè)置成1：4，通過光電門計時器測得小球發(fā)生2段位移所對應(yīng)時間之比為1：2（也可以將2段位移之比設(shè)置成1：9，驗證時間之比為1：3），非常準確地證明了位移x與時間t²成正比的猜想。實驗過程中，斜槽的傾角可以在0～90°。之間進行調(diào)整，結(jié)果都成立，從而證明了小球在斜槽上的運動和自由落體運動的規(guī)律相同，是同種性質(zhì)的運動，伽利略對自由落體運動的科學(xué)猜想得以證明。實驗操作簡單，現(xiàn)象直觀，結(jié)果準確。

演示儀結(jié)構(gòu)

演示儀由主板、光電門計時演示儀實物圖如圖1和圖2所示。主板與計時器之間為無線連接，可以將主板放在投影設(shè)備下面，主板顯示接收到的成績1 （t₁）和成績2（t₂）并可進行投影，主板如圖3所示。

演示過程

主板上有計時開關(guān)，當(dāng)按下計時開關(guān)，主板將此指令發(fā)送給計時器和繼電器，繼電器釋放小球時，2個計時器同時開始計時。小球沿斜槽滾下做勻變速直線運動，當(dāng)小球經(jīng)過計時器l時，小球擋住激光，計時器1停止計時，并將記錄的t₁，（小球從0cm到20 cm這一段位移x₁=20cm所用的時間）發(fā)送回主板;當(dāng)小球經(jīng)過計時器2時，小球擋住激光，計時器2停止計時，并將記錄的tt₂，（小球從0cm到80cm這一段位移x₂=80cm所用的時間）發(fā)送回主板;主板接收并顯示t₁，和t₂。由于X₁：X₂=1：4，只需要t₁：t₂=1：2，伽利略的猜想就能得以證明。

改變斜槽傾角（0～90°。之間）重復(fù)上述實驗過程，所得時間之比仍然滿足t₁：t₂=1：2，實驗結(jié)果如圖4至圖6所示。經(jīng)過多次實驗，在誤差允許范圍內(nèi)時間之比嚴格滿足1：2。演示效果很好，學(xué)生信服，解決了學(xué)生的困惑，讓物理課更有實驗研究的味道。

創(chuàng)新點

◇伽利略斜槽實驗渲示儀是原創(chuàng)教具。

◇將位移設(shè)置成1：4，得到的時間之比為1：2，直觀得出結(jié)果：x-t²產(chǎn)。

◇時間測量很精確，可以達到0.01s。

◇采用電磁繼電器釋放小球，小球的運動和計時完全同步進行，減少了實驗誤差。

◇調(diào)節(jié)斜槽的傾角，實驗結(jié)果同樣成立，進一步證實了伽利略的推理。

◇主板和計時器為無線連接，主板可以靈活地放在任意位置，方便投影實驗結(jié)果。

拓展應(yīng)用

◇可用于驗證機械能守恒定律。

◇可用于研究動量定理和動能定理。

◇可用于探究初速度為零的勻變速直線運動的位移和時間關(guān)系：x-t²嚴。

◇可以配合高中《物理》選修3-2第六章“傳感器”中的內(nèi)容使用。

◇改裝后可以驗證動量守恒定律。

小結(jié)

伽利略斜槽實驗演示儀可以很直觀很準確地證明：從斜槽上靜止釋放的小球發(fā)生的位移（x）與所用時間的平方（t²）成正比，從而間接證明伽利略的猜想——做自由落體運動的物體的瞬時速度（礦）與所用時間（t）成正比。該教具還可以用于其他多個物理問題的探究。

該項目獲得第33屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎。

專家評語

該項目設(shè)計制作了伽利略斜槽實驗演示儀，借助演示儀可以完成多項實驗內(nèi)容，并可用于多個問題的探究。該項目原理科學(xué)、概念清晰、構(gòu)恩巧妙、設(shè)計合理，作品實用性強。項目選題新穎，具有實質(zhì)性創(chuàng)新，對傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價值。希望該項目在工藝方面作出改進和提升。