汪顺兴

新课程理念越来越注重体验式教学，越来越重视实验教学，高中人教版《物理》（必修一）中将“伽利略对自由落体运动的研究”单独列为一节就是很好的体现，教材用了很大篇幅介绍这段历史，旨在强调伽利略的科学研究方法，培养学生严谨的科学态度。但是，科学研究中最重要的一环——实验验证却被教材忽视了，精彩的斜槽实验在教材中没有实验演示，而是用文字陈述，学生理解起来很抽象，也没有说服力。于是，为了弥补这个不足，我设计制作了“伽利略斜槽实验演示仪”。

设计目的和思路

伽利略在研究自由落体运动的时候，首先进行了猜想：做自由落体运动的物体其v-t。但是由于实验条件非常落后，无法测量落体的v，以及所用的时间t。于是，伽利略转换了研究对象并巧妙地证明了：如果做自由落体运动的物体的v-t，那么物体发生位移x-t²，这样一来就用可以测量的x替代了不便测量的矿。即便如此，这个时间也太短，而当时没有计时器，时间依然不好测量。于是伽利略设计了著名的斜槽实验，成功地“冲淡了”重力的作用，证明了：从斜槽上由静止释放的小球其x-t²产也成立的结论，间接证明了伽利略对自由落体运动的猜想。但是，教材中却没有相关的实验演示，而是用枯燥的文字叙述代替了实验，不可信、不严谨，显得虎头蛇尾。

本教具弥补了教材中缺少的斜槽实验演示仪，让伽利略的科学研究方法完整直观地呈现，对养成学生严谨的科学态度，提高学生的学科素养有积极作用。

演示仪简价

演示仪可以准确地测量小球在斜槽上从释放到光电门的时间（精确到0.01s），并且巧妙地将2段位移之比设置成1：4，通过光电门计时器测得小球发生2段位移所对应时间之比为1：2（也可以将2段位移之比设置成1：9，验证时间之比为1：3），非常准确地证明了位移x与时间t²成正比的猜想。实验过程中，斜槽的倾角可以在0～90°。之间进行调整，结果都成立，从而证明了小球在斜槽上的运动和自由落体运动的规律相同，是同种性质的运动，伽利略对自由落体运动的科学猜想得以证明。实验操作简单，现象直观，结果准确。

演示仪结构

演示仪由主板、光电门计时演示仪实物图如图1和图2所示。主板与计时器之间为无线连接，可以将主板放在投影设备下面，主板显示接收到的成绩1 （t₁）和成绩2（t₂）并可进行投影，主板如图3所示。

演示过程

主板上有计时开关，当按下计时开关，主板将此指令发送给计时器和继电器，继电器释放小球时，2个计时器同时开始计时。小球沿斜槽滚下做匀变速直线运动，当小球经过计时器l时，小球挡住激光，计时器1停止计时，并将记录的t₁，（小球从0cm到20 cm这一段位移x₁=20cm所用的时间）发送回主板;当小球经过计时器2时，小球挡住激光，计时器2停止计时，并将记录的tt₂，（小球从0cm到80cm这一段位移x₂=80cm所用的时间）发送回主板;主板接收并显示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证明。

改变斜槽倾角（0～90°。之间）重复上述实验过程，所得时间之比仍然满足t₁：t₂=1：2，实验结果如图4至图6所示。经过多次实验，在误差允许范围内时间之比严格满足1：2。演示效果很好，学生信服，解决了学生的困惑，让物理课更有实验研究的味道。

创新点

◇伽利略斜槽实验渲示仪是原创教具。

◇将位移设置成1：4，得到的时间之比为1：2，直观得出结果：x-t²产。

◇时间测量很精确，可以达到0.01s。

◇采用电磁继电器释放小球，小球的运动和计时完全同步进行，减少了实验误差。

◇调节斜槽的倾角，实验结果同样成立，进一步证实了伽利略的推理。

◇主板和计时器为无线连接，主板可以灵活地放在任意位置，方便投影实验结果。

拓展应用

◇可用于验证机械能守恒定律。

◇可用于研究动量定理和动能定理。

◇可用于探究初速度为零的匀变速直线运动的位移和时间关系：x-t²严。

◇可以配合高中《物理》选修3-2第六章“传感器”中的内容使用。

◇改装后可以验证动量守恒定律。

小结

伽利略斜槽实验演示仪可以很直观很准确地证明：从斜槽上静止释放的小球发生的位移（x）与所用时间的平方（t²）成正比，从而间接证明伽利略的猜想——做自由落体运动的物体的瞬时速度（矿）与所用时间（t）成正比。该教具还可以用于其他多个物理问题的探究。

該项目获得第33届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科教制作类一等奖。

专家评语

该项目设计制作了伽利略斜槽实验演示仪，借助演示仪可以完成多项实验内容，并可用于多个问题的探究。该项目原理科学、概念清晰、构恩巧妙、设计合理，作品实用性强。项目选题新颖，具有实质性创新，对传统方法有突破。作品效果显著，制作规范，具有示范推广价值。希望该项目在工艺方面作出改进和提升。