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伽利略斜面实验(1604)

让小球从斜面滚下,用手机慢动作逐帧量位置,自己拟合出 s=½at²,亲手测出"加速度"是个常数。

需要 硬皮书或木板一块(当斜面,长约 60–100 cm,待核实你手头有什么)· 光滑长条(金属尺、PVC 线槽、或硬纸板折槽,待核实)· 一颗小钢珠或玻璃弹珠(直径 1–2 cm)· 卷尺或长直尺(≥1 m)· 手机(能拍慢动作,多数近几年的机型都有,待核实你的机型)· 胶带 · 书几本(垫高斜面用)· 可选:手机三脚架或靠墙固定
时间 1–2 小时(含拍摄和量数据)
花费 ¥0–50(多数东西家里有;钢珠/弹珠几块钱,待核实当地价)
难度 ★★☆
验收 用 5 个以上不同释放点各测一次,拟合 s=½at² 后:① 拟合优度 R² ≥ 0.98;② 算出的 a 在 0.3–3.0 m/s² 之间(斜面越陡越大,具体值取决于你的斜面角度);③ 同一斜面角度下重复测,a 的相对偏差 < 15%

为什么值得做

"加速度"在课本上是个词。在这里,它是你从自己拍的视频里一帧一帧抠出来、再拟合出来的一条抛物线。伽利略 1604 年做的就是这件事——他没有秒表,用斜面把重力"放慢",才第一次把匀加速运动钉死。你今天有慢动作相机,等于有了他做梦都想要的秒表。

做完你会得到:一条 s-t 曲线、一个拟合出的 a、以及"为什么自由落体也是匀加速"的直观答案。

怎么做

  1. 搭斜面。 硬皮书/木板一头垫高,形成 10°–20° 的坡(用手机水平仪 App 量,或量高/长算反正切)。坡越缓,越好拍、误差越小;但太缓球滚不动或太慢。先试 15° 左右。
  2. 做轨道。 沿斜面贴一条光滑长条(金属尺或折好的纸槽),让球沿直线滚,不左右跑偏。接缝用胶带压平。
  3. 标刻度。 沿轨道贴胶带,每隔 10 cm 画一道线,或用卷尺读数。记下每道线到起点的距离。
  4. 固定手机。 手机横放,镜头正对斜面侧面,能拍到整条轨道和刻度。固定死——手持会毁掉一切。靠墙、用书夹、或用三脚架。
  5. 拍。 开慢动作(120fps 或 240fps,待核实你的机型支持哪档)。让球从某个固定点静止释放,拍下全程。
  6. 逐帧读位置。 在手机相册或剪辑 App 里逐帧看,记下球经过每道刻度线时的帧号。帧号 ÷ 帧率 = 时间。
  7. 换释放点重做。 至少 5 个不同起点,每个拍 1–2 次。
  8. 拟合。 把 (t, s) 数据丢进表格软件或让 AI 拟合 s=½at²,看 R² 和 a。

AI 可以怎么帮你

算一下 / 会看到什么

坑

  1. 手机没固定。 手持拍,画面抖,逐帧读位置全是噪声。这是第一大失败原因。
  2. 帧率记错。 慢动作视频的"帧率"和播放帧率不是一回事。先拍一段已知动作(比如秒表)校准,或查你机型慢动作的实际 fps(待核实)。
  3. 球没走直线。 轨道不直、接缝有台阶,球会拐弯或卡住。贴轨道时用手压平接缝。
  4. 释放点不固定。 每次起点差几毫米,时间基准就乱了。用胶带做个"挡板",球每次从同一位置松手。
  5. 只测一组。 一组数据拟合出 R²=0.99 也可能是巧合。至少 5 组、每组 5 个以上数据点。
  6. 把滚动当滑动。 别拿 a=g·sinθ 去对实测值,会以为自己做错了。记住滚动球有 2/5 的惯量修正。
  7. 斜面太陡。 球太快,慢动作也抓不住几帧。先缓后陡。

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