慣性現象演示儀的改進

周亞斌，陳詩含，蘇曉霞，陳睿涵，黃樹清

(福建師范大學 物理與能源學院,福建 福州 350007)

慣性是中學物理教學中非常重要的內容，是牛頓第一定律的重要表象，它揭示了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[1]. 同時它又是典型的初高中知識相銜接的內容，具有承上啟下的作用[2]. 為了在課堂教學中實現更好的教學效果，解決教學中的重難點，教具的使用就十分重要. 筆者對傳統慣性演示儀進行了改進，改善了傳統慣性演示儀無法演示慣性大小與質量大小之間的關系的缺點，并改進了傳統慣性演示儀的其他不足.

1 傳統慣性演示儀的缺陷

文獻[1]第7章“力與運動”的第1節“科學探究：牛頓運動定律”的教學中，教師在給學生演示慣性實驗時，主要采用如圖1所示的慣性演示儀，利用彈簧片撞擊載有小球的薄片，讓彈簧片將薄片撞出，發現小球能落在圓桶上，而不會隨著薄片一起飛出. 該裝置可以生動形象地說明物體具有保持靜止狀態的性質，說明物體具有慣性. 然而該教具無法直觀演示運動的物體具有慣性和慣性的大小由物體的質量決定，存在缺陷[3-5].

圖1 傳統慣性演示儀

在魯科版普通高中課程標準實驗教科書《物理(必修1)》第6章“力與運動”的第1節“牛頓運動第一定律”的教學中，教師一般通過概念敘述，利用教材上舉的例子：1輛卡車和1輛小汽車以相同的速度行駛時，在同一時刻2輛車一起剎車，發現卡車比小汽車更難停下，以此來說明質量大的物體慣性大. 然而此例子中含有太多的變量，如剎車時車受到的摩檫力不同、剎車性能不同、體積不同等，此現象不能很好地控制變量，而且在課堂中無法進行現場演示，學生不能獲得很好的感性認識. 所以通過這個例子并不能很好地說明慣性與質量的關系.

為了較好地解決這些問題，筆者對教具進行改進，使教具既可以演示運動的物體具有慣性，又可以演示靜止的物體具有慣性；把物體慣性的無形屬性具象化，通過實驗現象，說明物體慣性的大小與物體的質量有關. 讓學生直觀地看到現象，也可以讓學生親自來操作，更有利于學生對慣性的學習.

2 慣性演示儀的改進與創新

2.1 演示靜止和運動的物體具有慣性

1)演示靜止物體具有慣性的實驗

實驗裝置如圖2所示，利用可伸長的橡皮筋在L型導軌板上拉動L型木塊將其拉到適當的位置，再突然放手觀察小球的運動情況，擋板固定不動. 發現在剛放手時小球掉落原地，沒有隨著L型木塊一起向前運動，說明靜止的物體具有慣性[6].

圖2 實驗裝置原理圖

2)演示運動的物體具有慣性的實驗

實驗裝置如圖3所示，利用可伸長的橡皮筋在L型導軌板上拉動L型木塊將其拉到適當的位置，再突然放手,觀察小球的運動情況，擋板固定不動. 發現L型木塊碰到擋板停止時，小球沒有停止，繼續向前運動，說明運動的物體具有慣性[6].

圖3 實驗裝置原理圖

3)教具創新點

該教具思路巧妙，操作方便. 通常課堂上對慣性現象實驗的演示需要分別演示運動物體和靜止物體的慣性現象，本文的演示實驗可以完成2個實驗，還可以同時演示靜止和運動的物體具有慣性[6].

2.2 演示質量是慣性的固有屬性實驗

1)實驗步驟

實驗裝置如圖4所示，在L型木塊上從左往右依次放上3個體積相同、質量不同的鋼球、木球和乒乓球，并用擋板將三者隔開，在擋板前用雙面膠貼上宣紙，通過拉動綁有橡皮筋的L型木塊至導軌末端，然后放手，L型木塊受到橡皮筋彈力的作用，使3個質量不同的小球向前運動，L型木塊碰到障礙物時，3個球以相同速度撞擊擋在小球面前的宣紙，觀察宣紙的破裂程度，來反映物體慣性的大小. 可調節橡皮筋的伸長長度，實現3個小球撞擊宣紙后使宣紙呈現出不同的破損程度.

圖4 實驗裝置示意圖

2)實驗現象與結論

當L型木塊由于碰到擋板突然停止運動時，3個小球繼續保持運動狀態，鋼球沖破宣紙繼續運動；木球撞裂宣紙，停止運動，沒有沖出紙面；乒乓球對宣紙沒有造成明顯的形變. 實驗現象如圖5所示. 此現象說明質量大的小球容易沖破紙面，說明它的運動狀態難以改變，慣性較大. 而質量小的物體，不容易沖破紙面，它的運動狀態容易被改變，可見它的慣性較小.

圖5 宣紙不同破裂程度示意圖

3)創新點

a.實驗簡潔，現象直觀. 實驗結果中，3個小球對宣紙的破損程度不同，實驗現象明顯.

b.成本低廉，性價比高. 該教具所用的材料都很容易得到：木料、橡皮筋、白膠、宣紙、雙面膠、各種小球等. 木料按照所需尺寸對木料進行切割，再拼接組裝即可.

c.操作簡便，實用性強. 學生也可以自制該教具，親自動手實驗，可使學生對教具制作和物理知識的學習產生興趣，同時解決了只能在課堂上操作實驗的空間局限性，讓學生充分體會到“物理源于生活，又高于生活”的道理以及物理的魅力.

d.生動形象，發散思維. 該教具讓學生明白物理也可以如此有趣，激發學生學習物理的興趣，培養學生做生活的有心人，多留意生活中的物理現象，并且啟發學生思維，培養學生的創新實踐能力[7].

3 結束語

改進后的慣性演示儀較好地解決了傳統慣性演示儀的缺陷，實驗現象明顯，實驗內容豐富，成本低廉，制作方便能夠較好地提高“牛頓第一定律”這一章節中慣性內容的教學效果、激發學生學習物理的興趣，讓更多學生親自動手參與其中，從而突破教學重難點. 該教具中的宣紙還可以用形變較明顯的橡皮泥和較容易彎曲的銅片代替，這兩者都具有記憶功能，形變后能較長時間保持形變狀態，利于實驗觀察.