透明模擬牛頓第一定律方法設計

張泓筠+鄧生平+楊永亮

摘 要：牛頓第一定律描述的狀態是一個理想化的物理狀態，教師只能借助近似實驗和理論抽象幫助學生理解。為此，通過平衡法設計了一個簡單、直觀的方法模擬牛頓第一定律的物理狀態，用低速運動方式定性和定量地表征了牛頓第一定律，并初步提出了透明模擬的實驗教學思想。

關鍵詞：牛頓第一定律；勻速直線運動；透明模擬

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）2-0073-3

1 問題的提出

牛頓第一定律是一條理想化的物理定律[1-3]。物體處于靜止狀態固然隨處可見，但要獲得理想的勻速直線運動狀態不是件容易的事。教學上常常是借助專門的氣墊導軌來幫助學生理解，并用光電門來測試，這對實驗硬件設備要求高[4]，但滑塊的運動只能是理想的勻速直線運動的逼近，并非真正意義上的勻速直線運動，其他的改進設計不少，但都難以跳出近似模擬的局限[5-6]。因此，教師只能憑借理性的思考引導學生展開想象，然后抽象出定律描繪的狀態，因而學生在理解和應用上或多或少存在一些認識上的疙瘩。

筆者近期參觀了勻速直線運動的實驗教學，受到10年前實驗經驗的啟發，巧妙利用平衡條件模擬牛頓第一定律的運動狀態，設計以下兩種簡易方法來模擬（理想）勻速直線運動及其狀態的變化。同時，通過簡單器材的使用體會低成本實驗的設計和基本物理原理的透明模擬——用簡單器材設計，在遵循科學原理的基礎上采用放大或強化有效實驗現象[7]、抑制或排除干擾現象的手段，使物理原理描述的物理狀態或物理現象背后的物理本質明白易懂地顯露在學生面前。

2 器材及裝置

托里拆利管（90 cm長，管上每隔10 cm貼上紅色環狀標簽，也可用透明膠將玻璃管粘在條式木制米尺上以便觀察運動距離）或透明塑料管（L=100 cm，Φ=1 cm，管上每隔10 cm貼上紅色環狀標簽）1根、橡膠或干燥蘆葦管（長10 mm左右）、彩色橡皮泥（密度1.1～1.2×103 kg·m-3左右）、膠頭滴管、秒表（分度值為0.1或0.2 s）或光電門（帶計時功能）、木制米尺（約2 cm寬）、美工刀、透明膠、鐵架臺（帶鐵夾）、汽油（密度為0.7×103 kg·m-3）和食鹽水（密度為1.2×103 kg·m-3），裝置如圖1所示。

3 理論依據

（1）牛頓第一定律。

（2）液體中的氣泡總是趨向壓強最小的地方運動，并最終停留在壓強最小處。

（3）物體在液體中運動時存在極限速度。

（4）力的平衡。

利用液體內物體運動極限速度的存在這一規律，用平衡的方式達到模擬慣性狀態的目的[6]。

4 操作方法

4.1 氣泡上浮法模擬勻速直線運動

（1）取托里拆利管一根，用膠頭滴管往其內注水，待滿時留出1～3 mm左右的空氣柱，形成實驗用的氣泡，如圖1（a）和（b）所示。

（2）然后，直接用手指或橡皮泥將管口封住，倒過來將管傾斜（或豎直）。初始時氣泡在管內由靜止開始加速運動，速度增大到一定量，沿管傾斜方向的浮力分力和阻力相等時，氣泡將沿管傾斜方向做勻速直線運動。傾斜角度不一樣，氣泡運動的速度不一樣。傾斜角度越大，氣泡的運動速度越大，這樣氣泡運動的快慢可通過調節傾斜角度控制。我們可以通過小角度傾斜減緩氣泡的運動來增強學生的觀察效果，氣泡到達管頂時將管口再倒過來亦可重復實驗。

（3）調整傾斜角度以改變氣泡的運動速度獲得不同速度的平衡狀態，可用鐵架臺作為支架，取氣泡運動約5 cm后開始計時，此時氣泡處于平衡狀態，任選靠近首尾端兩等長間隔，用秒表測定氣泡經過兩間隔的時間，看是否相等。如果用光電門測速度，因氣泡透明，必須用密度小于水的不透明材料，如：塑料、橡膠或干燥蘆葦管，長10 mm左右，管徑略小于玻璃管內徑，做成大小不一的柱狀或球狀浮體取代氣泡，可分別觀察其運動的快慢，且玻璃管豎直以便光電門測任意時刻的速度。

4.2 橡膠頭下沉法模擬勻速直線運動

（1）取彩色橡皮泥小塊，將其捏成直徑小于托里拆利管內徑或透明塑料管的球體，然后將橡皮泥從裝滿水的豎直管口（只能豎直以免橡皮泥與管壁接觸產生摩擦）投入，如圖2（a）所示。

（2）初始時橡皮泥在重力作用下由靜止開始加速運動，速度增大到一定量，橡皮泥受到的向上的粘滯阻力和浮力與重力平衡，橡皮泥將豎直向下做勻速直線運動。

（3）當橡皮泥到達底部，用橡皮泥封住管口，不能留有氣泡，將管口倒過來可重新操作。

（4）取橡皮泥運動約10 cm后開始計時，同樣取靠近首尾端兩等長間隔，用秒表測定橡皮泥經過兩間隔的時間，看是否相等，或者用光電門測速度，這時可測定橡皮泥運動過程任意時刻的速度。

4.3 模擬受力狀態改變導致勻速直線運動狀態的改變

（1）取汽油和食鹽水，首先將管豎直固定在鐵架臺上，然后用膠頭滴管往托里拆利管內裝食鹽水至20 cm左右，再裝汽油至管口70 cm左右。這樣汽油和食鹽水在管內分為上、下兩層，上層為汽油，下層為食鹽水，如圖2（b）所示。

（2）將彩色橡皮泥小球（ρ=1.1～1.2×103 kg·m-3）自管口投入，由于重力大于浮力，小球初始加速，這一段距離可用彩色紙封住。

（3）達到一定速度后由于增加的阻力和浮力共同作用平衡了重力，由于再無其他新的外力作用，小球以該速度勻速下落，小球通過白紙封住的一段距離后，學生看到的是勻速直線運動。

（4）待小球勻速運動至兩液體的分界面后，由于鹽水浮力突然增大，相當于提供了一個新的外力，小球運動減慢，前快后慢，新的外力使其運動狀態改變，直至最終靜止在兩液體的分界面上，對比效果明顯。

（5）同時，最終分界面上的靜止狀態，歸因于重力與浮力平衡，若沒有新的外力作用，靜止狀態將保持下去。從而體現出牛頓第一定律所描述的物理狀態：物體具有保持勻速直線運動狀態或靜止狀態的性質，只要有外力作用，這種狀態就會改變；從而說明力是改變物體運動狀態的原因，而不是維持物體運動狀態的原因。

[注意]

（1）由于開始有一短暫加速的過程，記錄時間應避開這一階段。為便于教學可將管兩端10 cm段用彩色紙包住，計時可從氣泡或橡皮泥露出彩色紙時開始，這時學生看到的為單一的勻速直線運動。

（2）基于理想的勻速直線運動要求在任意等時間隔內通過的路程相等或任意等長間隔內所用時間相等，實驗時可取等長間隔測定時間或等時間隔測定經過的距離分別操作。

（3）為便于測定時間，管子傾斜度宜小，以便氣泡或橡皮泥低速運動，且所選用于比較時間的兩等距間隔應盡可能拉開距離，以便有足夠的時間讀數和調整秒表。當然，為了測試方便，本實驗最好還是使用光電門測速，這時可測定橡皮泥（球）運動過程任意時刻的速度，便于比較。

5 總 結

1.充分利用簡易器材，設計了低成本實驗，所用材料幾乎全都屬于第一手材料。操作方法簡單，可任意重復。特別是方法一，可一次性小角度傾斜玻璃管設置長時間的實驗觀察，獲得慢鏡頭觀察效果和最佳實驗效果。由于是依靠運動獲得的平衡狀態，因此能夠理想地表現勻速直線運動狀態，而不是近似勻速直線運動狀態。實驗設計通過動態平衡排除了摩擦力的干擾，物體運動狀態可控，直觀明了，現象模擬透明，分析和認識本質水到渠成，達到透明模擬的效果。

2.通過設計簡單實驗，學會用動態平衡法模擬牛頓第一定律所描述的慣性狀態，這種模擬法在物理學等自然科學研究和工程技術應用中有著廣泛的參考價值，它能使抽象的問題具體化并能在人為控制的條件下研究與實際問題相似的實驗，如：太空艙內失重狀態的模擬、海底工程的模擬、地殼運動的模擬、飛機飛行故障狀態的模擬等，教材中用穩恒電流產生的電場模擬靜電場和靜磁場是典型的應用實例。模擬時只要把握好幾何條件、物理條件、邊界條件和初始條件等的相似性，其結果大體能反映實際狀態[8]。

3.如何提高直線運動的教學效果，教學策略多樣[9-10]，各得其所。實驗教學方法或儀器研發要力求簡單、明白無誤地表現物理問題本質，避免干擾因素或現象形成黑箱干擾學生的理解，這對強化物理教學效果無疑具有重要意義。

參考文獻：

[1]課程教材研究所.八年級物理下冊[M].北京：人民教育出版社，2012：15.

[2]張瑞琨.中學教學全書·物理卷[M].上海：上海教育出版社，1996：122.

[3]萬中義.中學數理化公式定理手冊[M].成都：四川辭書出版社，1994：285.

[4]段吉輝，徐從蘭，孟昭敏.物理學演示實驗手冊[M].濟南：山東教育出版社，1987：7.

[5]李元忠.簡易勻速直線運動演示器[J].物理教學探討， 2002，20（3）：38.

[6]鄭克東.“直線運動”的教學設計[J].物理教學探討， 2012， 30（9）：75-79.

[7]張泓筠.以現象為中心設計科學教學實驗[J].中學物理， 2005（11）：3-4.

[8]王云才.大學物理實驗教程[M].北京：科學出版社，2008：52-53.

[9]孫一鳴. 探析提高“直線運動”教學實效的策略[J]. 物理教學探討， 2012，30（10）：52-53.

[10]石天剛.力與直線運動[J]. 山西教育，2006（10）：33-39.

（欄目編輯 鄧 磊）