彈球式慣性小車

高傳剛

慣性教學是初中物理教學的重要組成部分，慣性內容比較抽象，慣性教學過程離不開教具的使用，而傳統(tǒng)的教具在原理上存在缺陷，展示的內容也比較少。故本人經過多次的實驗改進，自制了彈球式慣性小車。

1原教具的缺點

慣性是物體運動中的的基本概念。但是，學生要從傳統(tǒng)實驗所產生的現象中觀察并思考清楚慣性的作用，卻不是件容易的事情。因為影響這個實驗的因素并不是單一的。如圖1所示是教材中所展示的實驗，實驗應演示的現象是用直尺快速打下面的一個棋子，下面的一個棋子被打出，而上面的棋子掉落在原處，所作的解釋是上面的棋子由于慣性要保持原來的靜止狀態(tài)，就留在原處。實際上并不是這樣簡單。在這個實驗中，上面的棋子具有慣性，要保持原來的靜止狀態(tài)，但這里就有一個問題，上面的棋子是否要受到下面的棋子所施的摩擦力的作用呢？如果上面的棋子受到了下面的棋子所施的摩擦力的作用，它能否掉在原處，肯定還跟這個摩擦力的大小及作用的時間有關。現在對上下棋子分別進行受力情況分析。

設棋子之間的動摩擦因數為μ，則下面的棋子對上面的棋子的摩擦力為：

f上=μn上=μm上g

而f上=m上a上

所以a上=μm上g/m上=μg

由此可見，a上與上面的棋子的質量無關，僅由上面的棋子和下面的棋子之間的動摩擦因數來決定。這說明什么問題呢？實際上，在直尺對下面的棋子作用的過程中，上面的棋子和下面的棋子的加速度方向相同，上面的棋子能否掉落在原處，必須滿足的一個條件就是下面的棋子的加速度至少大于上面的棋子的加速度。是否滿足這個條件，從外力來說，當然直尺對下面的棋子的打擊力越大越好；從棋子系統(tǒng)來說，決定的因素是下面的棋子對上面的棋子的摩擦力，只有當使上面的棋子加速所需要的摩擦力大于下面的棋子對上面的棋子所能施加的摩擦力時，上面的棋子和下面的棋子之間才可能相對滑動，上面的棋子才可能掉落在原處。即使上面的棋子和下面的棋子之間有了相對滑動，上面的棋子的加速度a上也不能太大，否則仍不能掉落在原處。而上面的棋子的加速度a上竟與質量無關，最后起作用的是上面的棋子和下面的棋子之間的動摩擦因數！換句話說就是，若上面的棋子和下面的棋子之間足夠光滑的話，上面的棋子才有可能掉落在原處，否則不然，而與上面的棋子的質量如何是沒有關系的。這是值得我們認真思考的一個問題，因為我們知道質量是物體慣性大小的量度，做為一個演示慣性的實驗，能否得到所期望的現象，竟與物體的慣性大小無關，而是由與慣性無關的摩擦因數來決定的，這難道說得過去嗎？這使得我們不得不要考慮它作為慣性演示實驗的合適性問題。

多少年了，我們一直就這樣向學生傳遞慣性的知識。類似的大同小異的例子還很多，也都被用來說明慣性的存在和作用。圖2是一件教學中常用的，可以說是傳統(tǒng)的、經典的教具了。筆者認為，這個實驗應該按排在高中完成沖量定理的教學后來講可能更好，因為這個實驗真正能說明的是沖量定理。用于作初中物理慣性的演示實驗，不僅存在前面所講的問題和影響因素過于復雜的問題，而且對學生的前概念沒有多少針對性，學生很容易用膚淺的“那是由于慣性”等說法來解釋所有這一類現象。

那么如何針對這些問題，在立足于現在教材的基礎上來考量這個實驗呢？為此，筆者研究設計自制了《彈球式慣性小車》這一創(chuàng)新教具。

2改進型彈球式慣性小車

2.1教具裝置圖

裝置圖如圖3所示。

2.2儀器的特點及用途

2.2.1特點

（1）采用三級減速來增大車輪扭矩，有效降低阻力波動影響，勻速運動很理想。

（2）勻速、加速、減速、發(fā)射均采用全自動電控，把外界對小車的擾動減到最小。

（3）采用透明封閉車廂，有效隔離空氣流動對小球運動的影響。

（4）小車平臺還能拓展其他慣性演示實驗，例如，“急加速物體相對后滑”、“緊急制動物體相對前滑”、“乘客前傾或后傾”等慣性現象。

2.2.2用途

（1）小車靜止時彈球具有保持靜止的慣性。

（2）小車勻速運動時彈球保持勻速運動的慣性。

（3）小車變速運動時物體具有保持原有速度的慣性。

2.3制作材料

三級減速小車散件1套，改裝用PVC管（長約10 cm的7分管1根，長約10 cm的5分管1根），定時器控制模塊1個，繼電器控制模塊2個，5 V小電動機1個、電池4節(jié)、8 cm×14 cm三合板1塊，橡皮筋、金屬球、萬能膠若干等。

2.4制作方法

（1）網購減速小車散件，如圖4所示。

（2）改裝小車。把3級減速小車組裝好，運動電機的位置需要改動到頂端，可以用萬能膠固定。原先電池盒不用，用另外1個可以放下4節(jié)5號電池的塑料盒改裝為電池盒兼控制盒。

（3）用8 cm×14 cm三合板，固定在小車上作為汽車底盤。

（4）用PVC管制作發(fā)射筒，用木桿制作發(fā)射推桿，用電動機轉動擊發(fā)扳機，來控制推桿向上發(fā)射小球。具體原理裝置如圖5所示。

（5）制作控制盒。網購的10 s定時器模塊如圖6所示，繼電器控制模塊如圖7所示。

利用上述模塊，連接成全自動運動控制和發(fā)射電路，具體原理如圖7所示。

在把上述電路和電池固定在1個塑料盒內，把電源開關和模式開關引出盒外。把控制盒固定在小車上。

2.5使用方法

將鋼珠放入發(fā)射筒中處于待發(fā)射狀態(tài)，把模式選擇開關打到需要演示的模式（勻速、加速、減速3種發(fā)射模式），開啟電源，把小車放在地面上即可（也可在手中放置6～7 s，再放在講臺上就能在2～3 s內自動演示）。10 s后，小車自動控制運動并同時向上發(fā)射小球。通過觀察小球的落點，就能清晰觀察到小球的慣性現象。具體效果如圖8所示。

選擇開關打到勻速檔時，小車一直勻速運動，10 s后發(fā)射器上的電機開始轉動，將彈簧釋放，鋼珠在運動的小車上豎直向上彈起，離開塑料管繼續(xù)向上運動。由于鋼珠具有慣性，它水平運動的速度和小車運動的速度一致，所以鋼珠下落后仍會豎直地落在塑料管里。為了減小空氣阻力的影響，可以在小車上加一透明玻璃罩。此現象比較有趣，學生也比較感興趣。因為一般學生認為鋼珠彈起后會落在小車后面，從而落在塑料管的后面，當學生看到鋼珠仍落在塑料管里時，感到非常驚訝，學習興趣大漲。

選擇開關打到加速檔，10 s后發(fā)射器上的電機轉動，將彈簧釋放，鋼珠在運動的小車上豎直向上彈起，離開塑料管繼續(xù)向上運動，由于鋼珠具有慣性，它水平運動的速度還和小車原來運動的速度一致，而同時電動機電壓自動調到6 V，小車開始加速運動，這樣鋼珠就落在小車的后面。同樣，當選擇開關打到減速檔時，鋼珠會落在小車前面。

幾次實驗對比，使學生產生了很強的求知欲、好奇心，為慣性的教學做好了必要的鋪墊，因此本次實驗可以安排在慣性教學的引入部分，也可安排在說明運動的物體具有慣性的教學過程中，也可再安排在教學后的知識應用中，叫學生觀看后利用慣性知識進行解釋。

本教具與傳統(tǒng)的慣性教具相比較，不但克服了影響因素過于復雜的問題，而且能在物體運動的過程中展示物體的慣性，使學生的印象更加深刻，教學效果更好。