自制液體與氣體慣性演示儀

蔣德偉

摘? 要 【目的】結合教材，幫助學生理解“一切物體都具有慣性”。【方法】自制液體慣性演示儀和氣體慣性演示儀，演示液體與氣體的慣性。【結果】液體慣性演示儀：當玻璃管向下運動時，玻璃管中的水保持靜止狀態，演示了液體具有慣性。氣體慣性演示儀：短距離內煙圈的水平勻速運動演示了氣體具有慣性。【結論】自制液體慣性演示儀和氣體慣性演示儀，能夠生動形象地演示液體與氣體具有慣性，使學生形象地理解慣性的概念，彌補教材的不足。

關鍵詞 慣性;液體;氣體;慣性演示儀;牛頓第一定律

中圖分類號：G633.7? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）11-0134-03

0? 引言

從牛頓第一定律可以知道，如果物體不受力的作用，原來靜止的物體一直保持靜止狀態，原來運動的物體將保持其速度一直運動下去。一切物體都有保持原來運動狀態不變的性質，人們把這種性質叫作慣性[1]。通過分析，可以發現教材這段話有兩層含義：一是對慣性進行了定義，即物體保持原來運動狀態不變的性質叫作慣性;二是闡述了具有慣性的物體的范圍，即一切固體、液體和氣體，不論其處于靜止狀態還是運動狀態，都具有慣性。

隨后的教材內容講述了兩個慣性現象。一是靜止的物體具有慣性：用力彈出小球底下的金屬片時，小球不隨金屬片飛出。二是運動的物體具有慣性：汽車突然剎車時，乘客身體會前傾;汽車突然開動時，乘客身體向后仰。

兩個利用慣性的例子：跳遠運動員助跑以提高成績;撞擊錘柄下端，錘頭就會牢牢地套在錘柄上。防止慣性帶來危害的例子：交通工具要配備剎車系統、安全帶和安全氣囊。但是，每一個事例都限于固體的慣性，對于液體和氣體的慣性卻未提及。于是，筆者制作了液體慣性演示儀與氣體慣性演示儀作為教材補充并運用在教學中，收到良好效果。

1? 準備材料與工具

1.1? 液體慣性演示儀

所需材料：外徑32 mm、長30 mm的透明亞克力管道，外徑17 mm、長4 mm的透明亞克力管，厚3 mm的透明亞克力平板，厚3 mm的橡膠板，101膠，熱熔膠，外徑17 mm、長600 mm的玻璃管（鍋爐銷售處有售），外徑16 mm的鋁塑管配套管件，厚3 mm左右的塑料板，電工膠帶，橡皮筋，自攻螺絲，小螺絲配套螺母，24 V DC電動機（純凈水機設備上使用電動機），0～12 V可調教學電源，舊儀器底座及支架材料PPR管。

所需工具：手工鋸、手電鉆、美工刀、螺絲刀、銼刀、剪刀、細砂紙、電工鉗、熱熔膠槍、圓規等。

1.2? 氣體慣性演示儀

所需材料：羽毛球包裝桶、鐵質長方體茶葉盒、鐵絲網、廢舊燒水壺嘴、艾葉、寬膠帶、火柴等。

2? 制作方法

2.1? 液體慣性演示儀

2.1.1? 單向閥的制作? 用圓規在厚3 mm的透明亞克力平板上畫兩個直徑為32 mm的圓，用手電鉆在其中的一個圓內均勻地鉆6～7個小孔，用直徑為17 mm的開孔圓鋸在另一個圓的中心鉆一個較大的孔，再用直徑為32 mm的開孔圓鋸將兩個圓從透明亞克力平板上切下來做成兩個帶孔的圓盤。然后用細砂紙將兩個圓盤的邊緣磨平，以恰好能放入外徑32 mm、長30 mm的透明亞克力管道為準。

用圓規在厚3 mm的橡膠板上畫一個直徑比上述兩個圓盤小2 mm左右的圓，再用剪刀沿圓線剪下，形成一個圓橡膠盤。

用手電鉆在外徑17 mm、長40 mm的透明亞克力管的一端均勻地鉆幾個小孔。

組裝單向閥：將鉆有6～7個小孔的透明亞克力圓盤放入外徑32 mm、長30 mm的透明亞克力管道內的下端，用101膠沿透明亞克力圓盤邊緣粘牢;將圓橡皮盤放入管道內;將另一個中心鉆有一個較大的圓孔的透明亞克力圓盤放入外徑32 mm、長30 mm的透明亞克力管道內的上端，用101膠沿透明亞克力圓盤邊緣粘牢;將外徑17 mm、長40 mm的透明亞克力管道有小孔的一端插入上端圓盤中，深度距圓橡膠盤2～3 mm，用101膠粘牢，這樣單向閥就做好了，如圖1所示。

將單向閥和外徑17 mm、長60 mm的玻璃管對接后用熱熔膠粘在一起，用電工膠帶纏繞固定。

2.1.2? 玻璃管支架的制作? 用手工鋸從塑料板上裁下邊長為40 mm的正方形板和底邊寬70 mm、上端寬30 mm、長170 mm的梯形板，在電動機螺絲孔對應處的塑料板上鉆孔，用螺絲將正方形板固定在電動機的下部，將方形板固定在電動機的上部，在下部塑料板的下端和上部塑料板的上端分別用自攻螺絲固定一個直徑16 mm鋁塑管配套管件的螺母，并使它們的中心線在同一直線上，能讓玻璃管穿行其中。

2.1.3? 驅動裝置的制作? 從塑料板上裁下直徑為85 mm的圓盤（作為曲軸）和寬15 mm、長120 mm的長方形板（作為連桿），這套裝置將電動機的轉動轉化為玻璃管的上下振動，與內燃機中曲軸和連桿的作用將活塞的往復運動轉化為曲軸的轉動作用相反，形成鮮明對比，引發學生觀察與思考。用細砂紙磨邊，并在圓盤邊緣處及長方形板兩端鉆小孔。

啟動電動機，用銼刀將電動機軸上的凸輪表面磨平。

用101膠將圓盤粘在凸輪表面，再啟動電動機用銼刀將圓盤磨圓。然后，用螺絲將長方形板（連桿）一端的小孔與圓盤的小孔相連，另一端的小孔與一個16 mm鋁塑管配套管件的螺母相連，兩連接處能自由活動，作用相當于汽油機的曲軸和連桿，將電動機的轉動轉化為玻璃管在豎直方向上的往復運動。

2.1.4? 電動機支架的制作? 裁取一塊略大于電動機底座的木板，在直徑16 mm、長約400 mm的PPR管中嵌入圓木，然后用螺絲將木板、PPR管和一個較重的鐵座（拆自舊教學儀器）組裝起來，做成電動機支架。

2.1.5? 液體導流裝置的制作? 取一個內口徑為17 mm的飲料瓶，在瓶口與瓶身之間的瓶肩中部開一個直徑8 mm的圓孔，用熱熔膠將一段長40 mm、直徑8 mm的PPR管粘在圓孔處作為出水管;再用熱熔膠將一個16 mm鋁塑管配套管件（含螺母與螺絲管）的螺絲管粘接在瓶口上，一個液體導流裝置制成，它能很好地防止水從玻璃管口溢出后四散，而流向規定的方向（見圖2）。

2.1.6? 總裝（見圖3）? 用自攻螺絲將電動機固定在電動機支架上，讓玻璃管無閥門端（即上端）由下而上依次穿過玻璃管支架的下端螺母、連桿一端的配套管件（螺母與螺絲管，并且在螺母與螺絲管之間套兩圈橡皮筋）和玻璃管支架的上端螺母。

將液體導流裝置的螺母套在玻璃管無閥門端（即上端），再在玻璃管上纏繞2～3圈橡皮筋，然后將液體導流裝置的螺絲管與螺母旋緊，保證玻璃管與液體導流裝置的密封。

調節玻璃管的位置，然后將螺絲管與螺母旋緊，利用摩擦力將玻璃管與連桿相連，讓玻璃管獲得電動機傳來的動力。

2.2? 氣體慣性演示儀

制作煙氣爐：在茶葉盒蓋上開一個20 mm×30 mm的孔;剪下燒水壺嘴，壺嘴的周邊留下覆蓋住20 mm×30 mm的孔邊沿;用螺絲將壺嘴和茶葉盒蓋固定在一起;在茶葉盒身上偏下的位置開一個20 mm×40 mm的孔;裁剪鐵絲網，寬度略小于茶葉盒的寬，長度比茶葉盒的長多出50 mm;將裁好的鐵絲網距兩端25 mm垂直彎折（彎折部分做支架），放入茶葉盒中，煙氣爐就做成了（見圖4）。

在羽毛球包裝桶的頂端開一個直徑30 mm左右的圓孔，然后用寬膠帶紙粘貼，備用。

3? 工作過程、現象與結果

3.1? 液體的慣性演示儀

把玻璃管的下端（即單向閥）浸入水中約200 mm處，將學生電源的電壓設置為直流2 V，閉合開關，電動機慢慢地轉動，玻璃管慢慢地上下往復運動。玻璃管向上運動時，單向閥關閉，水隨玻璃管向上運動;當玻璃管向下運動時，水由于受到重力也向下運動（定性地體現牛頓第二定律，與高中學習物理課銜接）[2]，與玻璃管的運動同步，沒有體現出水的慣性。

將學生電源的電壓設置為直流4 V，閉合開關，電動機的轉動明顯加快，玻璃管上下往復運動也明顯加快。玻璃管向上運動時，單向閥關閉，水隨玻璃管向上運動;當玻璃管向下運動時，水由于慣性保持靜止狀態（體現牛頓第一定律）[3]，玻璃管和水柱產生相對運動。此時，單向閥打開，又有一些水進入玻璃管中。若以玻璃管為參照物，是水柱在玻璃管中上升了。

將學生電源的電壓設置為直流6 V，閉合開關，電動機迅速轉動，玻璃管迅速上下往復運動。此時，觀察到玻璃管中的水面現象是：上升、停頓，上升、停頓……上升是因為玻璃管上升時，單向閥關閉，對水柱產生向上的推力;停頓是因為玻璃管下降時，單向閥打開，水柱由于慣性保持原來的靜止狀態。玻璃管上下往復運動十次左右，水面就能上升到液體導流裝置內;玻璃管再上下往復運動幾次，就有水從側管中間斷地流出。

制作液體慣性演示儀具有更深層次的意義。在講述大氣壓后，大多數教師會給學生分析活塞式抽水機和離心式水泵的工作原理，由于知識面較窄，在學生思想中往往形成片面認識：抽水機是利用大氣壓來工作的。嚴格意義上來講，這個認識是錯誤的，它犯了以偏概全的錯誤。生活和生產中有各種各樣的抽水機，除活塞式抽水機和離心式水泵以外，還有潛水泵、軸流泵、泥漿泵、混流泵、隔膜泵以及各種各樣的專用泵，它們的工作原理不盡相同。設計制作液體慣性演示儀，其本質就是一臺慣性抽水機，它是利用慣性來工作的，不是利用大氣壓來工作的。

3.2? 氣體慣性演示儀

通過燃燒多種燃料發現：木材、樹枝、樹葉、莊稼秸稈、雜草等在燃燒過程中要發出旺盛的火苗，但煙霧較少，而艾葉特別是稍微潮濕的艾葉，在燃燒過程中沒有火苗，產生的濃煙較多。在本實驗中選擇艾葉作燃料。將艾葉放入煙氣爐中，蓋上盒蓋，用火柴將艾葉點燃，一會兒就有濃煙從壺嘴冒出。讓壺嘴靠近羽毛球包裝桶下端口的內邊一側，由于濃煙溫度高、密度小，在羽毛球包裝桶中上升，桶內的冷空氣下降，當桶的下端開口處有濃煙溢出時，說明桶內已灌滿煙氣。然后用橡皮膜把包裝桶下端開口蒙上并用繩捆緊，左手持羽毛球包裝桶，使其呈水平狀態，撕掉包裝桶前端的寬膠帶紙，用右手有節奏地輕拍橡皮膜三次，便會看到從小孔處先后噴出三個煙圈，短距離內煙圈水平勻速向前運動。

4? 討論

液體慣性演示儀，通過多次實驗，將學生電源的電壓設置為直流4 V時，閉合開關，電動機的轉動明顯加快，玻璃管上下往復運動也明顯加快。當玻璃管向上運動時，單向閥關閉，水隨玻璃管向上運動;當玻璃管向下運動時，水靜止，水的靜止是由于慣性。將學生電源的電壓設置為直流6 V，閉合開關，電動機迅速轉動，玻璃管迅速上下往復運動。此時，觀察到玻璃管中的水面現象是：上升、停頓，上升、停頓……上升是因為玻璃管上升時，單向閥關閉，對水柱產生向上的推力;停頓是因為玻璃管下降時，單向閥打開，水柱由于慣性保持原來的靜止狀態。玻璃管上下往復運動十次左右，水面就能上升到液體導流裝置內;玻璃管再上下往復運動幾次，就有水從側管中間斷地流出。

氣體慣性演示儀，短距離內煙圈水平勻速向前運動的現象，演示了氣體狀態存在的煙氣具有慣性。

結論：演示儀很好地演示了液體和氣體都具有慣性。

參考文獻

[1]義務教育教科書 物理 八年級 下冊[M].北京：人民教育出版社，2012.

[2]張世明，李玉華.簡易抽水機[J].教學儀器與實驗，2014（10）：50-51.