一種慣性現(xiàn)象演示裝置

龔韓莉，代 偉

(西華師范大學 物理與空間科學學院，四川 南充 637002)

靜止的物體具有慣性，運動的物體也具有慣性。慣性現(xiàn)象作為牛頓第一定律的重要表象，在日常生活中的例子很多，例如跳遠運動員的助跑，汽車安全帶，拍打灰塵等等。力學是高中生在物理學習中的一個永久心頭病，慣性定律是經(jīng)典力學的基礎，因此學好慣性對學生學好經(jīng)典力學尤為重要。但是很多學生對慣性的理解總是停留在表面，如果教師在教學過程中僅采用講授法進行教學，學生則只能通過想象來構造慣性現(xiàn)象，從而造成學生對慣性定律的理解停留在字面概念上[1,2]。但是如果教師借助直觀的自制教具進行授課，學生對慣性的理解則能達到透過現(xiàn)象看本質(zhì)的境界，從而深刻理解慣性定律。

現(xiàn)有的慣性現(xiàn)象演示儀結構粗糙，操作復雜，演示效果不明顯，不易引起學生的興趣，對已有的慣性現(xiàn)象演示儀進行了改進，采用直流電動機正反轉控制絲桿滑臺勻速或加速運動，通過安裝在滑臺上的金屬小球下落裝置能很好地演示靜止的和運動的物體都有慣性。新設計的慣性現(xiàn)象演示儀結構簡單，操作簡便，現(xiàn)象直觀，更有利于學生直觀理解靜止的和運動的物體都有慣性的物理原理[3-5]。

1 慣性現(xiàn)象演示裝置的結構

演示裝置如圖1所示，裝置由絲桿滑臺，調(diào)速直流電機，可調(diào)直流電源，立柱，小球下落裝置等構成。儀器用一絲桿滑臺作為底座，調(diào)速直流電機與絲桿通過聯(lián)軸器連接在一起，直流電機由可調(diào)直流電源供電，通過控制直流調(diào)速電機的正反轉可使絲桿滑臺向左或向右做變速或勻速直線運動。立柱下端安裝在滑臺上如圖2所示，上端安裝一個直流電磁鐵裝置如圖1所示。

圖1 慣性現(xiàn)象演示裝置結構圖

金屬小球可以放在安裝直流電磁鐵有機板的上方也可以用電磁鐵吸住放在電磁鐵下方，結構如圖3所示。一個裝有橡皮泥的紙杯放在小球下落正下方的絲桿平臺上。電磁鐵由干電池供電，電池盒固定在立柱的后下方如圖2所示。電磁鐵的斷電開關采用干簧管磁控開關控制，磁鐵安裝絲桿滑臺底部的鋁合金連接桿上，使用時磁鐵的位置可以根據(jù)需要向左或向右移動，結構如圖4所示。

圖2 立柱安裝結構圖

圖3 電磁鐵安裝圖

圖4 電池盒、磁控開關安裝圖

2 慣性現(xiàn)象演示

2.1 靜止的物體有慣性演示

如圖3所示，演示前先將絲桿滑臺的滑臺放置在中間位置，然后在安裝電磁鐵的亞克力板上放置一個金屬小球。接通電源把電源電壓調(diào)到電機的最高工作電壓，按下電動機的正轉或反轉開關，在電機的帶動下絲桿使滑臺突然向左或向右運動，但是放置在立柱頂部亞克力板上的金屬小球原來是靜止的，由于靜止的物體具有慣性，當支撐小球的亞克力板運動離開后，靜止的小球由于具有慣性仍然要保持原來的靜止狀態(tài)而不會隨支撐板一起運動，所以通過實驗會觀察到靜止的金屬小球會從原來靜止的位置落下。裝置通過此實驗可以演示靜止的物體具有慣性且實驗現(xiàn)象直觀，演示方法也很簡單，學生容易理解。

2.2 運動的物體有慣性演示

如圖4所示，演示前先將滑臺移置在儀器底座的最左邊或最右邊，磁控開關的磁鐵放在儀器絲桿滑臺中間位置。將電池盒的開關打開給電磁鐵線圈通電，然后將金屬小球吸在電磁鐵的下方，將電源電壓調(diào)到合適值然后按下電機正反轉開關使電機通過絲桿帶動滑臺勻速向左或向右運動，當滑臺勻速移動到磁鐵安裝位置時磁控開關動作使電磁鐵的線圈斷電，金屬小球此時自由落下。由于運動的物體也具有慣性，金屬小球在電磁鐵斷電之前是隨滑臺一起做勻速直線運動，磁鐵斷電小球下落時仍然要保持原來的勻速運動狀態(tài)，所以學生通過演示裝置可以觀察到下落的金屬小球會剛好掉入滑臺上的紙杯中，則證明運動的物體也具有慣性。

3 結 語

新設計的運動物體的慣性現(xiàn)象演示儀操作簡單，現(xiàn)象直觀明了，設計大方巧妙，能夠很好的吸引學生的注意力，并引發(fā)對物理學習和自制教具的興趣，由內(nèi)而外的提升學生的學習動機，培養(yǎng)學生觀察能力和思考問題的能力，同時還能幫助教師突破教學中的重難點，提高教學效率。此外該教具可多次循環(huán)利用，環(huán)保高效。