“理想斜面实验”演示仪器的打造

“理想斜面实验”演示仪器的打造

顾声和夏向荣

（浙江省温州第二高级中学，浙江温州325000）

摘要：伽利略“理想斜面实验”是在部分实验事实基础上，加于合理的逻辑推理，进而获得关于“力与运动”的重要结论。但由于它被冠于“理想实验”的名头，又加上实验室通常没有现成的该实验装置，所以在教学中，往往会忽视了它的可操作性，用纯粹的讲解取代之。其实，只要利用简单的材料，就能打造出操作便捷、美观大气、效果显著的“理想斜面实验”演示仪。

关键词：理想斜面实验；仪器；打造

1背景

伽利略的“理想斜面实验”在物理史上具有重大的意义，它标志着物理学的真正开端。在高中物理教材中更是具有不可替代的地位，分别在人教版必修一第四章第一节《牛顿第一定律》[1]和必修二第七章第一节《寻找守恒量——能量》[2]中作为重要内容出现，它的卓越之处已不单是实验本身，更是伽利略在实验中所做的思考和应用的独特方法，以及这个实验给后人带去的思考。

但在高中物理实验室中通常没有现成的“理想斜面实验”仪器，再加上人们总感觉是“理想”实验，不能真正做成。因此在教学中，对于“理想斜面实验”的处理，往往是在黑板上画出或通过幻灯片打出图片来介绍实验过程。就是有的老师设计了实验装置，或过小巧，不能直观明显；或设计不够精巧，导致不能灵活改变上滑斜面的倾角；或者是滑块与轨道的摩擦不能有效的改变等等。也有一些老师通过单摆来代替原有的斜面实验，却又失去了原有设计的简洁性、直接性。

针对上述情况，笔者设计打造了易做耐用、简单大方、创新巧妙、效果明显的“理想斜面实验”装置，并在多次教学中发挥了重要的作用，成为课堂的亮点。

2主要器材

截面为5cm×3cm实木条两根；钢钉（两寸，若干枚）；细线或细铜线（约2m）；大号“双鹿”牌干电池3个；塑胶材料窗帘导槽（约2m，含3-4个固定扣）；A4纸；一次性毛巾；双面胶等。

3仪器的设计与打造

需要用到的上述材料，可在超市和一般的装修店里就能一次性购齐，费用也便宜。打造时，可选择在学校的通用技术实验室或就在物理实验室里完成。

图1装置设计图

先根据图1所示的设计图，利用实木条做好木制底座，整个装置长度约1.9m，高度约0.5m。在倾斜木杆上用3-4个固定扣将总长约为2m的塑胶材料窗帘导槽一部分固定在倾斜木杆上，作为下滑斜面。由于塑胶窗帘导槽平滑程度好，硬度高又有柔软性，所以在下滑斜面下端可以做自然弯曲，能顺利过渡到左边的上滑倾斜轨道，上滑倾斜轨道可以扣在竖直木杆上不同位置的钉子上，构成不同倾角的上滑斜面，也可以平放在底座上，变成水平轨道。图中水平准直线，用于显示下滑斜面和上滑斜面的同一高度，可以用细线拉直，或者用其他笔直的细杆。最终打造完成的“理想斜面实验”装置实物如图2。

图2装置实物图

4关键性问题的解决与优点

本实验装置设计的优点，即设计对关键性问题的解决有这几个方面：（1）在不移动整个装置（尤其是保持下滑斜面不动）情况下，能便捷的调节上滑斜面的倾角，也很方面将上滑斜面放成水平，而且两个斜面均能平滑过渡；（2）滑块在下滑斜面上的释放点和达到上滑斜面的最高点的高度很容易通过水平准直线进行直观比较；（3）本装置利用大号干电池作为滑块，若要改变滑块与轨道之间的摩擦因素，只需利用不同材料对干电池进行包裹（如A4纸、一次性毛巾等），表1中数据是笔者通过“当一个物体能在斜面上自然匀速下滑时，则它与斜面的动摩擦因素等于斜面倾角θ的正切，即μ=tanθ”的方法，粗略的测得干电池包裹一次性毛巾、包裹A4纸、不包裹情况下所测得的与轨道的动摩擦因素。

表1：干电池包裹不同表面与轨道的动摩擦因素

图3包裹不同材料的干电池

另外在仪器的打造过程中发现，轨道不宜太长，否则，能量损失过大；下滑物体也不宜用小球，由于存在滚动，对达到上滑斜面高度也会受较大的影响。

5演示过程介绍与效果

将上滑斜面扣在图1中的钉子1上，分别让包裹一次性毛巾的干电池、包裹A4纸的干电池和表面没包裹的干电池从下滑斜面的水平准直线所在的位置A（见图1中）无初速度滑下，可以看到一次次滑上上滑斜面时，越来越接近上滑斜面水平准直线所在的位置B，然后可以作合理的逻辑推理，假设物体与轨道完全光滑且无空气阻力的话，物体应该到达位置B。接着将上滑斜面分别扣在钉子2、钉子3上，每次将表面没包裹的干电池从位置A滑下，干电池会在上滑斜面上走过越来越长的距离，最后将上滑轨道放平，干电池几乎匀速的冲出水平轨道。

上面的实验过程，似乎重现当年伽利略实验时的情景，让学生深刻体会这个实验的魅力。

参考文献

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书•物理1•必修[M].北京：人民教育出版社，2010:68.

[2]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书•物理2•必修[M].北京：人民教育出版社，2010.

[3]余耿华.巧用窗帘导轨改进系列演示实验[J].中学物理教学参考，2018（1~2）：36-37.