伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

徐忠岳

（舟山市東海中學(xué)，浙江 舟山 316000）

伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理教學(xué)中的重要實(shí)驗(yàn).因?yàn)樗粌H告訴學(xué)生一條科學(xué)規(guī)律，而且蘊(yùn)含著研究物理問(wèn)題的基本思維方式和品質(zhì)：把實(shí)驗(yàn)事實(shí)和邏輯推理結(jié)合起來(lái)；忽略次要矛盾，抓住主要矛盾；不盲目相信直覺和權(quán)威人物的觀點(diǎn).新舊高中物理教材對(duì)斜面實(shí)驗(yàn)都有詳細(xì)的介紹，可以說(shuō)這是一個(gè)“必做”的實(shí)驗(yàn)，但實(shí)際上斜面實(shí)驗(yàn)幾乎成了“紙上”實(shí)驗(yàn).這與教師的教學(xué)理念有關(guān)，也和實(shí)驗(yàn)器材不理想有關(guān)——斜面實(shí)驗(yàn)裝置雖不復(fù)雜，卻不方便.現(xiàn)行21047型伽利略理想斜面演示器搬運(yùn)不便，缺少靈活的調(diào)平裝置，使用率不高.

考慮到現(xiàn)在的黑板普遍襯有鐵皮，我們制作了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置.軌道采用裝修用的方形線槽，在線槽上安裝4個(gè)粘有磁鐵的鋁質(zhì)支架，用來(lái)把軌道吸附在黑板上（磁鐵上端離軌道4cm，可基本消除渦流對(duì)小鋼球的影響）.制作磁阻尼式激光水平尺，激光在黑板上留下一條紅色的水平線作為等高線.線槽比較柔軟，所以可以比較方便地調(diào)節(jié)傾角；激光水平尺在使用過(guò)程中無(wú)須調(diào)平，只需調(diào)節(jié)三角架的高度即可.本裝置軌道長(zhǎng)、輕便、直觀，演示效果良好.另外，本裝置所用的自制水平尺是專業(yè)激光水平尺的廉價(jià)替代品，可廣泛應(yīng)用于中小學(xué)課堂教學(xué)、家庭裝修和其他水平檢測(cè)之中.

圖1 實(shí)物圖

1 器材準(zhǔn)備

相機(jī)三腳架，紅色水平激光模組1個(gè)（功率5～20mW），2mm厚有機(jī)玻璃板若干，水準(zhǔn)泡1個(gè)，鋁片若干（厚度1～2mm），帶開關(guān)的電池盒一只（可裝3節(jié)7號(hào)電池），自行車鋼絲一根（帶螺帽，直徑2mm），2cm方形線槽（長(zhǎng)2m），方形釹鐵硼磁鐵4塊（4mm×20mm×50 mm），圓形釹鐵硼磁鐵1塊（直徑20mm），無(wú)鐵磁性不銹鐵鋼螺絲（直徑4mm）和螺帽4對(duì).

2 制作方法

2.1 制作電磁阻尼擺式激光水平尺

（1）吊籃制作.

如圖2所示，用有機(jī)玻璃板制作一個(gè)矩形吊籃，籃臂與籃體相互垂直.籃體分為上下兩層，上層安裝水準(zhǔn)泡和激光模組.籃體下層能恰好塞進(jìn)電池盒，且做成抽屜狀，用于移出電池盒以更換電池.電池盒也相當(dāng)于一個(gè)游碼，移動(dòng)電池盒可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的平衡.

在籃體底部粘一塊寬6.5cm、高5cm的鋁片.在兩個(gè)籃臂上方的等高處用電鉆各打一個(gè)直徑2mm小孔，用于懸掛吊籃.用電鉆在籃體上層前后側(cè)相同高度處各鉆一個(gè)比激光模組直徑稍小的圓孔，然后用小銼刀輕銼小孔，直到可以將激光模組緊塞其中為止.

圖2 吊籃

（2）支架制作.

如圖3所示，用有機(jī)玻璃制作一個(gè)15cm×8cm×6cm的提籃狀支架，在支架的底側(cè)用強(qiáng)力膠粘1個(gè)小鐵片來(lái)吸附磁鐵.為了盡可能減小磁鐵對(duì)干電池的吸引作用，磁鐵頂部至少要離開電池盒底部3cm.在支架底座鉆兩個(gè)定位孔，以便把支架安裝在相機(jī)三腳架上.在支架臂上端鉆兩個(gè)直徑2mm小孔，取一段帶螺帽的自行車鋼絲，用于把吊籃懸掛在支架上，從舊家用開關(guān)或插座上拆取一個(gè)固定螺絲和接線柱，把它們竄在鋼絲上，起到限位作用.

（3）激光水平尺的調(diào)試.

把激光水平尺安裝在三腳架上，放在一堵白墻前.移動(dòng)電池盒調(diào)節(jié)平衡，直到水準(zhǔn)泡中的水泡位于正中央.取一個(gè)長(zhǎng)約3m的透明塑料管，在管中注入清水并掛在墻上.打開電源開關(guān)，墻上出現(xiàn)一條紅色的激光線.用尖嘴鉗夾住激光模組并慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)，直到激光線與塑料管中的兩個(gè)液面齊平.最后用強(qiáng)力膠固定激光模組.儀器調(diào)試好后，如果使用了不同產(chǎn)品的電池，只需移動(dòng)電池盒進(jìn)行調(diào)平即可，無(wú)需調(diào)節(jié)激光模組.

2.2 制作軌道

如圖4所示，用鋁片制作4個(gè)高8cm、寬2cm的“L”形支架，在支架上端中心位置打一個(gè)直徑4mm的安裝孔.把有機(jī)玻璃和磁鐵分別用強(qiáng)力膠固定在支架的上下端.為防止支架在黑板上打滑，可在支架上粘上一片橡皮膠或雙面膠.在線槽上鉆4個(gè)直徑4mm的小孔，然后把支架用螺絲固定在線槽上.注意，為了消除渦流引起的小球機(jī)械能損失，一定要用無(wú)鐵磁性的不銹鋼材質(zhì)或銅質(zhì)的螺絲和螺帽，以避免被磁鐵磁化.

圖3 支架

圖4 磁性固定支架

3 用途及使用方法

3.1 演示伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)

把軌道吸附在黑板上，調(diào)節(jié)三腳架至合適的高度，閉合激光水平尺的電源開關(guān)，黑板上就出現(xiàn)一條紅色激光水平線，接著按課本中描述的步驟操作即可.還可以把實(shí)驗(yàn)過(guò)程拍攝下來(lái)，然后以逐幀播放的方式展現(xiàn)出來(lái).

請(qǐng)注意教材中的表述：“……如果沒有摩擦，小球?qū)⑸仙皆瓉?lái)的高度……”考慮到如果沒有摩擦小球是不會(huì)沿斜面滾動(dòng)的，所以教材采用“上升”一詞，而回避了“滾到”一詞.不過(guò)這種表述也并不完美，建議同行們把“沒有摩擦”一詞改成“沒有摩擦損耗”，因?yàn)槿绻∏蛟谛泵嫔献鰺o(wú)滑滾動(dòng)，此時(shí)軌道給小球的摩擦力使小球發(fā)生滾動(dòng)，并不消耗小球的機(jī)械能：假如空氣阻力不計(jì)，小球在斜面上做無(wú)滑滾動(dòng)，則整個(gè)過(guò)程中摩擦力與支持力對(duì)小球不做功，根據(jù)機(jī)械能守恒有

式中m、v、I、ω、h、H 依次為小球的質(zhì)量、速度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、角速度、高度和初始高度.顯然如果小球從某一高度由靜止開始下滑，必將達(dá)到另一斜面的同一高度處［1］.

另外我們發(fā)現(xiàn)，取A和B兩個(gè)相同的光滑小球，把A球用絲襪包裹起來(lái)，B球不做處理；當(dāng)兩個(gè)斜面的傾角比較小時(shí)，A和B達(dá)到的高度基本相同；而當(dāng)傾角比較大時(shí)，A球到達(dá)的高度往往比B球高.說(shuō)明并非光滑的小球一定能比粗糙的小球上升得高，因?yàn)樾泵鎯A角較大時(shí)光滑的小球容易發(fā)生滑動(dòng)，從而消耗一部分機(jī)械能.本實(shí)驗(yàn)中空氣阻力無(wú)法避免，絕對(duì)光滑也不可能，所以“讓小球在軌道上做無(wú)滑滾動(dòng)、防止小球在軌道上滑動(dòng)”是提高本實(shí)驗(yàn)演示效果的關(guān)鍵；軌道和小球不必涂油，但一定要平整；操作時(shí)斜面的傾角不要太大，一般取30°以下.

3.2 拓展功能

（1）演示電磁阻尼.

把激光水平尺安裝在三腳架上，放在一堵白墻前（或在黑板上貼張白紙），從支架上取出磁鐵.打開水平尺電源，并輕輕撥一下鋁片，發(fā)現(xiàn)吊籃和激光線不停地晃動(dòng).然后把磁鐵放回支架處，發(fā)現(xiàn)激光線馬上停止晃動(dòng)并保持水平，說(shuō)明磁場(chǎng)對(duì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的鋁片產(chǎn)生了阻尼，對(duì)靜止的鋁片不產(chǎn)生阻尼.前后移動(dòng)吊籃，改變鋁片和磁鐵之間的距離，可研究磁場(chǎng)的強(qiáng)弱對(duì)電磁阻尼的影響.

（2）其他拓展功能.

本裝置所用的自制磁阻尼擺式激光水平尺價(jià)廉物美，是專業(yè)激光水平尺的理想替代品，可廣泛應(yīng)用于單擺、圓錐擺、光的干涉和折射等課堂教學(xué)之中，也可作為家庭裝修和其他水平檢測(cè)之用.本水平尺有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：其一，精度高、制作方便且成本低，除干電池外，只需要15元人民幣左右的制作成本.其二，本水平尺采用了磁阻尼擺式的自穩(wěn)方式，非常容易操作，尤其是在對(duì)光的傳播方向是否水平不做要求的情況下，此時(shí)我們無(wú)需對(duì)三腳架進(jìn)行調(diào)平操作，只要三腳架能穩(wěn)定在地面上即可.因?yàn)橹Ъ艿膬A斜并不會(huì)破壞吊籃的左右平衡，所以這樣操作不會(huì)影響投影在被檢測(cè)面上的激光線的水平程度.其三，如果三腳架達(dá)不到所需要的高度或三腳架太高，只需撥動(dòng)三腳架的控制桿，使水平尺前后傾斜即可.