基于智能手機設計伽利略單斜面實驗

潘冬煒

(佛山市實驗中學 廣東 佛山 528000)

李鑄勛

(松山湖實驗中學 廣東 東莞 523000)

梁梓聰

(佛山市實驗中學 廣東 佛山 528000)

基于智能手機設計伽利略單斜面實驗

潘冬煒*

(佛山市實驗中學 廣東 佛山 528000)

李鑄勛

(松山湖實驗中學 廣東 東莞 523000)

梁梓聰

(佛山市實驗中學 廣東 佛山 528000)

研究設計了基于智能手機的伽利略單斜面實驗，利用智能手機APP軟件“Motion shot”直接得到初速度相同的物體在不同粗糙程度的水平軌道上的運動遠近及速度變化圖片．通過圖片分析得出,摩擦力越小，物體運動得越遠，速度減小得越慢的實驗結論，為進行牛頓第一定律的邏輯推理奠定基礎．

智能手機 斜面實驗 牛頓第一定律

伽利略單斜面實驗是中學物理教學中的重要實驗之一，其中蘊含著研究物理問題的基本思維方式和嚴密的科學方法——“實驗和數學邏輯推理”相結合[1]．傳統實驗方法：在水平桌面鋪上粗糙程度不同的接觸面，讓物體自斜面頂端從靜止開始滑下．觀察物體從同一高度滑下后，在不同表面運動的距離，利用物體運動時間長短判斷其速度變化情況[2]．由此為牛頓第一定律的邏輯推理作鋪墊．本文在傳統伽利略單斜面實驗基礎上，結合現代科學技術,設計了方便使用、易于操作、視覺直觀、思維直接的基于智能手機的伽利略單斜面實驗，通過該實驗輕松突破學生理解障礙，搭建學生推理牛頓第一定律的認知平臺．

1 實驗設計思想

伽利略進行的單斜面實驗實際上是一個漫長的探究過程.歷史不斷發(fā)展前進，在科學探究時，除了“還原”歷史、復制古代的技術發(fā)明進行重復驗證外，還要善于在不改變當時物理思想的前提下使用現代科學技術來實現探究過程有效性的最大化[1]．鑒于此，我們在實驗中使用自制的伽利略單斜面實驗教具和智能手機結合，應用到智能手機的攝像頭，在軟件“Motion shot”的輔助下進行實驗，直接獲得初速度相同的物體在不同粗糙程度的水平軌道上的運動遠近及速度變化圖片，圖文并茂更利于學生理解實驗內容，深入分析實驗結果還可以為牛頓第一定律的邏輯推理奠定基礎．

2 實驗器材

拍攝系統：三腳架,智能手機．

自制單斜面實驗教具：5號2 m長PVC線槽3條,斜坡升降墊1個,毛毯布1張,珊瑚毯1張,EVA材質球(直徑6 cm)3個,水平木板1塊,鋼尺．

3 實驗原理

3.1單斜面實驗教具的制作

先將3條PVC線槽利用熱熔膠槍分別固定于水平木板與斜坡升降墊上；接著在其中兩條PVC線槽上分別鋪上毛毯布、珊瑚毯；最后利用熱熔膠槍將4把鋼尺做成井字型作為讓3個小球從同一高度出發(fā)的輔助工具．

3.2拍攝系統

與現代人形影不離的智能手機中擁有很多強大的硬件和豐富的APP軟件，使其適用于物理實驗中．例如本文應用到的智能手機APP軟件——“Motion shot”,該軟件是一款可捕捉運動短片，然后通過特定算法自動合成一張連貫動作照片的相機軟件．此外，該軟件還能對拍攝后的圖像進行處理，選擇所要合成照片的張數(該軟件一次最多能合成12張照片)．

4 實驗操作過程

(1) 將單斜面實驗教具放置于水平桌面上，調整好斜坡升降墊的高度，利用井字型鋼尺使3個EVA小球分別在不同導軌的同一高度出發(fā)(以保證3個小球進入水平軌道時的初速度相同)，如圖1所示.

圖1 用井字型鋼尺調節(jié)小球位置

(2)利用三腳架將智能手機固定好(使手機進行錄制時保持足夠穩(wěn)定，以致合成的照片效果更好)，并同時打開智能手機軟件“Motion shot”準備對實驗過程進行錄制，實驗裝置整體如圖2所示.

圖2 實驗裝置整體圖

(3)實驗開始，井字型鋼尺離開小球的同時，錄制者開始錄制，直至小球運動結束.

(4)實驗結束，等待手機分析結果，可通過調整所需合成照片的張數，如圖3所示，選擇效果最佳的作為實驗結果用作分析，如圖4所示．

圖3 照片合成

圖4 實驗結果圖

(5)分析實驗結果圖，得出實驗結論：在物體進入水平軌道時初速度相同的情況下，物體所受摩擦力越小，運動得越遠，速度減小得越慢.

5 實驗特點

5.1突破障礙搭建平臺

傳統的伽利略單斜面實驗現象變化較快,給學生獲取與理解該實驗規(guī)律帶來一定障礙.本實驗巧妙方便地將數碼攝像和頻閃照片應用于伽利略單斜面實驗，即時地獲得物體在不同粗糙程度的水平軌道上的運動遠近及速度變化圖片．在實際教學中，從本實驗親自制作的頻閃照片中可以直觀看出每個物體速度的變化情況，再加以理論推導更容易使學生接受，輕松突破學生理解障礙，為搭建牛頓第一定律的邏輯推理平臺作鋪墊．

5.2器材易得操作簡單

傳統的頻閃照片制作大多先依賴單反相機或專業(yè)高速攝影機的高速連拍功能獲取圖片，再利用計算機軟件(如：Free Video to JPG Converter以及Photoshop)進行合成.這種方法成本較高，實際操作起來較為困難[3]．在運用課堂上，現代教育技術與物理教學整合是物理實驗教學發(fā)展的必然趨勢，本實驗創(chuàng)新性地與智能手機軟件“Motion shot”結合，將“人手一部”的手機作為制作頻閃照片的實驗儀器，所需的實驗器材簡單易得，并且操作簡單，具有巨大的推廣價值．

6 總結

本研究設計了基于智能手機的伽利略單斜面實驗.通過手機得到物體運動遠近及速度變化圖片，更利于學生的觀察與研究；實驗圖片數據可任意截圖存儲，也可直接手機同屏器在大屏幕進行投影;手機相比專業(yè)拍攝頻閃照片的數碼攝像相機價格更低廉、攜帶更方便．

除了“Motion shot”，智能手機的其他軟件也可以應用于物理實驗中，例如有研究者利用加速度傳感器手機軟件探究電梯中的超重與失重現象[4]．設計基于智能手機的物理實驗，將人們日常生活中不可或缺的智能手機投入物理實驗教學中，將會引起學生極大的興趣，使其較易克服思維障礙，較快掌握物理規(guī)律，會給教學帶來更大的便利，提供更多更好的素材.

1 劉煥奇.基于DIS設計伽利略“斜面實驗”在教學中的應用.中學物理教學參考,2014,43(11):52～54

2 馬艷華. 解讀伽利略的斜面實驗. 物理教師, 2014,35(5): 68～69

3 錢佳偉,顧靈溪. 運用高速攝像和計算機軟件制作頻閃照片. 物理通報,2016(2):81～85

4 江敏麗,吳先球. 用智能手機探究電梯中的超重與失重現象. 物理通報,2016(12):108～110

2017-04-20)

潘冬煒(1991- )，男，碩士，中教二級，主要研究方向為物理實驗教學.