模擬“薩爾維阿蒂大船”的慣性實驗裝置

熊小梅

[摘? ?要]初中物理教學中，運用自制的教具開展物理教學，能有效提高教學實效。文章介紹了一個自制教具的設計、制作、改進的過程。

[關鍵詞]慣性;實驗裝置;教具制作

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2019）23-0053-02+

一、常規實驗教具的不足

慣性是一切物體固有的屬性。通常，中學物理實驗室配備的演示慣性的實驗無外乎以下這些實驗。如圖1、圖2所示。

這些演示實驗有一個共同的特點：研究對象都處于靜止狀態。

牛頓第一定律即慣性定律，是這樣描述的：一切物體在沒有受到外力作用的時候，總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態。慣性是任何物體都有保持原來的靜止或勻速直線運動狀態的性質。既然如此，我就思考，能否自制一個演示實驗裝置，用于說明處于運動狀態的物體也具有慣性。在該演示實驗裝置中，研究對象為一個運動的物體。

二、自制教具的設計和制作

在物理學史上，關于物體具有慣性最早的論述是1632年，伽利略出版的名著《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》中記錄的。書中那位地動派的“薩爾維阿蒂”設想了一條船艙四周封閉的大船，船上的人做任何實驗也無法確認船是靜止還是勻速運動的。

受到“薩爾維阿蒂大船”的啟發，我設計了一款演示運動物體也具有慣性的實驗裝置。其原理圖如圖3所示，實物圖如圖4所示。

實驗原理及步驟：

（1）不可伸長的細繩l被拉緊拴在螺釘上，從而使得彈簧處于壓縮狀態;

（2）電動機以100 r/min的轉速轉動，通過不可伸長的細繩l拉著小車在水平面上做勻速直線運動;

（3）小車運動中，用火柴燒斷細繩l，原本被壓縮的彈簧將恢復形變，把小球A向上彈入空中，觀察小球A的運動情況。

三、教具演示效果以及實驗改進

實驗現象：

小球A被彈入空中后，又再次落入小車中的透明圓筒內。

實驗過程如圖5～圖8所示：

實驗結論：

說明小球A在空中運動的這段時間內，其水平方向上的速度與小車保持一致。很顯然，在本實驗中，小球A只受豎直方向的重力作用，空氣阻力忽略不計。由于水平方向上沒有任何外力作用，所以小球A一直都保持著離開小車前所具有的水平速度，從而使得小球A時刻都位于透明圓筒的正上方。

本實驗還可以用于研究斜拋運動的分解，同時還需要做一些改進：

1.在實驗背景上做一個坐標網格。利用頻閃照相機記錄小球和小車在各個時刻的位置，可以通過坐標網格讀出坐標，研究其分運動性質。

2.小球的釋放裝置可以改進為電磁控制。原實驗是通過燒斷細繩來完成小球的釋放，這樣制約了小車速度的增加。如果可以通過無線電控制電磁開關釋放小球，實驗的可操作性更好。

綜上所述，本實驗裝置是模擬“薩爾維阿蒂大船”，在運動中體現物體的慣性，更加充分地向學生說明慣性是一切物體所固有的一種屬性，而與物體所處的運動狀態無關。通過該演示實驗的觀察和分析，相信學生可以很容易理解生活中的一些利用慣性的實例，比如，跳遠運動員助跑后，飛身一躍，靠自身慣性在空中繼續前進等事例。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 人教社物理教材編寫組.普通高中課程標準實驗教科書·物理（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]? 郭奕玲，沈慧君.物理學史[M]. 北京：清華大學出版社，2005.

（責任編輯 易志毅）