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巧用生活器材改进“伽利略斜面实验”装置

2019-09-10胡浩然卢文静

科学导报·学术 2019年35期
关键词:改进

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.

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