基于智能手机设计伽利略单斜面实验

潘冬炜

(佛山市实验中学 广东 佛山 528000)

李铸勋

(松山湖实验中学 广东 东莞 523000)

梁梓聪

(佛山市实验中学 广东 佛山 528000)

基于智能手机设计伽利略单斜面实验

潘冬炜*

(佛山市实验中学 广东 佛山 528000)

李铸勋

(松山湖实验中学 广东 东莞 523000)

梁梓聪

(佛山市实验中学 广东 佛山 528000)

研究设计了基于智能手机的伽利略单斜面实验，利用智能手机APP软件“Motion shot”直接得到初速度相同的物体在不同粗糙程度的水平轨道上的运动远近及速度变化图片．通过图片分析得出,摩擦力越小，物体运动得越远，速度减小得越慢的实验结论，为进行牛顿第一定律的逻辑推理奠定基础．

智能手机 斜面实验 牛顿第一定律

伽利略单斜面实验是中学物理教学中的重要实验之一，其中蕴含着研究物理问题的基本思维方式和严密的科学方法——“实验和数学逻辑推理”相结合[1]．传统实验方法：在水平桌面铺上粗糙程度不同的接触面，让物体自斜面顶端从静止开始滑下．观察物体从同一高度滑下后，在不同表面运动的距离，利用物体运动时间长短判断其速度变化情况[2]．由此为牛顿第一定律的逻辑推理作铺垫．本文在传统伽利略单斜面实验基础上，结合现代科学技术,设计了方便使用、易于操作、视觉直观、思维直接的基于智能手机的伽利略单斜面实验，通过该实验轻松突破学生理解障碍，搭建学生推理牛顿第一定律的认知平台．

1 实验设计思想

伽利略进行的单斜面实验实际上是一个漫长的探究过程.历史不断发展前进，在科学探究时，除了“还原”历史、复制古代的技术发明进行重复验证外，还要善于在不改变当时物理思想的前提下使用现代科学技术来实现探究过程有效性的最大化[1]．鉴于此，我们在实验中使用自制的伽利略单斜面实验教具和智能手机结合，应用到智能手机的摄像头，在软件“Motion shot”的辅助下进行实验，直接获得初速度相同的物体在不同粗糙程度的水平轨道上的运动远近及速度变化图片，图文并茂更利于学生理解实验内容，深入分析实验结果还可以为牛顿第一定律的逻辑推理奠定基础．

2 实验器材

拍摄系统：三脚架,智能手机．

自制单斜面实验教具：5号2 m长PVC线槽3条,斜坡升降垫1个,毛毯布1张,珊瑚毯1张,EVA材质球(直径6 cm)3个,水平木板1块,钢尺．

3 实验原理

3.1单斜面实验教具的制作

先将3条PVC线槽利用热熔胶枪分别固定于水平木板与斜坡升降垫上；接着在其中两条PVC线槽上分别铺上毛毯布、珊瑚毯；最后利用热熔胶枪将4把钢尺做成井字型作为让3个小球从同一高度出发的辅助工具．

3.2拍摄系统

与现代人形影不离的智能手机中拥有很多强大的硬件和丰富的APP软件，使其适用于物理实验中．例如本文应用到的智能手机APP软件——“Motion shot”,该软件是一款可捕捉运动短片，然后通过特定算法自动合成一张连贯动作照片的相机软件．此外，该软件还能对拍摄后的图像进行处理，选择所要合成照片的张数(该软件一次最多能合成12张照片)．

4 实验操作过程

(1) 将单斜面实验教具放置于水平桌面上，调整好斜坡升降垫的高度，利用井字型钢尺使3个EVA小球分别在不同导轨的同一高度出发(以保证3个小球进入水平轨道时的初速度相同)，如图1所示.

图1 用井字型钢尺调节小球位置

(2)利用三脚架将智能手机固定好(使手机进行录制时保持足够稳定，以致合成的照片效果更好)，并同时打开智能手机软件“Motion shot”准备对实验过程进行录制，实验装置整体如图2所示.

图2 实验装置整体图

(3)实验开始，井字型钢尺离开小球的同时，录制者开始录制，直至小球运动结束.

(4)实验结束，等待手机分析结果，可通过调整所需合成照片的张数，如图3所示，选择效果最佳的作为实验结果用作分析，如图4所示．

图3 照片合成

图4 实验结果图

(5)分析实验结果图，得出实验结论：在物体进入水平轨道时初速度相同的情况下，物体所受摩擦力越小，运动得越远，速度减小得越慢.

5 实验特点

5.1突破障碍搭建平台

传统的伽利略单斜面实验现象变化较快,给学生获取与理解该实验规律带来一定障碍.本实验巧妙方便地将数码摄像和频闪照片应用于伽利略单斜面实验，即时地获得物体在不同粗糙程度的水平轨道上的运动远近及速度变化图片．在实际教学中，从本实验亲自制作的频闪照片中可以直观看出每个物体速度的变化情况，再加以理论推导更容易使学生接受，轻松突破学生理解障碍，为搭建牛顿第一定律的逻辑推理平台作铺垫．

5.2器材易得操作简单

传统的频闪照片制作大多先依赖单反相机或专业高速摄影机的高速连拍功能获取图片，再利用计算机软件(如：Free Video to JPG Converter以及Photoshop)进行合成.这种方法成本较高，实际操作起来较为困难[3]．在运用课堂上，现代教育技术与物理教学整合是物理实验教学发展的必然趋势，本实验创新性地与智能手机软件“Motion shot”结合，将“人手一部”的手机作为制作频闪照片的实验仪器，所需的实验器材简单易得，并且操作简单，具有巨大的推广价值．

6 总结

本研究设计了基于智能手机的伽利略单斜面实验.通过手机得到物体运动远近及速度变化图片，更利于学生的观察与研究；实验图片数据可任意截图存储，也可直接手机同屏器在大屏幕进行投影;手机相比专业拍摄频闪照片的数码摄像相机价格更低廉、携带更方便．

除了“Motion shot”，智能手机的其他软件也可以应用于物理实验中，例如有研究者利用加速度传感器手机软件探究电梯中的超重与失重现象[4]．设计基于智能手机的物理实验，将人们日常生活中不可或缺的智能手机投入物理实验教学中，将会引起学生极大的兴趣，使其较易克服思维障碍，较快掌握物理规律，会给教学带来更大的便利，提供更多更好的素材.

1 刘焕奇.基于DIS设计伽利略“斜面实验”在教学中的应用.中学物理教学参考,2014,43(11):52～54

2 马艳华. 解读伽利略的斜面实验. 物理教师, 2014,35(5): 68～69

3 钱佳伟,顾灵溪. 运用高速摄像和计算机软件制作频闪照片. 物理通报,2016(2):81～85

4 江敏丽,吴先球. 用智能手机探究电梯中的超重与失重现象. 物理通报,2016(12):108～110

2017-04-20)

潘冬炜(1991- )，男，硕士，中教二级，主要研究方向为物理实验教学.