模擬“薩爾維阿蒂大船”的慣性實(shí)驗(yàn)裝置

熊小梅

[摘? ?要]初中物理教學(xué)中，運(yùn)用自制的教具開展物理教學(xué)，能有效提高教學(xué)實(shí)效。文章介紹了一個(gè)自制教具的設(shè)計(jì)、制作、改進(jìn)的過程。

[關(guān)鍵詞]慣性;實(shí)驗(yàn)裝置;教具制作

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

一、常規(guī)實(shí)驗(yàn)教具的不足

慣性是一切物體固有的屬性。通常，中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室配備的演示慣性的實(shí)驗(yàn)無外乎以下這些實(shí)驗(yàn)。如圖1、圖2所示。

這些演示實(shí)驗(yàn)有一個(gè)共同的特點(diǎn)：研究對象都處于靜止?fàn)顟B(tài)。

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(shí)候，總保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)。慣性是任何物體都有保持原來的靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)的性質(zhì)。既然如此，我就思考，能否自制一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)裝置，用于說明處于運(yùn)動狀態(tài)的物體也具有慣性。在該演示實(shí)驗(yàn)裝置中，研究對象為一個(gè)運(yùn)動的物體。

二、自制教具的設(shè)計(jì)和制作

在物理學(xué)史上，關(guān)于物體具有慣性最早的論述是1632年，伽利略出版的名著《關(guān)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(shè)想了一條船艙四周封閉的大船，船上的人做任何實(shí)驗(yàn)也無法確認(rèn)船是靜止還是勻速運(yùn)動的。

受到“薩爾維阿蒂大船”的啟發(fā)，我設(shè)計(jì)了一款演示運(yùn)動物體也具有慣性的實(shí)驗(yàn)裝置。其原理圖如圖3所示，實(shí)物圖如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)原理及步驟：

（1）不可伸長的細(xì)繩l被拉緊拴在螺釘上，從而使得彈簧處于壓縮狀態(tài);

（2）電動機(jī)以100 r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，通過不可伸長的細(xì)繩l拉著小車在水平面上做勻速直線運(yùn)動;

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

三、教具演示效果以及實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

小球A被彈入空中后，又再次落入小車中的透明圓筒內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)過程如圖5～圖8所示：

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

說明小球A在空中運(yùn)動的這段時(shí)間內(nèi)，其水平方向上的速度與小車保持一致。很顯然，在本實(shí)驗(yàn)中，小球A只受豎直方向的重力作用，空氣阻力忽略不計(jì)。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(shí)刻都位于透明圓筒的正上方。

本實(shí)驗(yàn)還可以用于研究斜拋運(yùn)動的分解，同時(shí)還需要做一些改進(jìn)：

1.在實(shí)驗(yàn)背景上做一個(gè)坐標(biāo)網(wǎng)格。利用頻閃照相機(jī)記錄小球和小車在各個(gè)時(shí)刻的位置，可以通過坐標(biāo)網(wǎng)格讀出坐標(biāo)，研究其分運(yùn)動性質(zhì)。

2.小球的釋放裝置可以改進(jìn)為電磁控制。原實(shí)驗(yàn)是通過燒斷細(xì)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(guān)釋放小球，實(shí)驗(yàn)的可操作性更好。

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)裝置是模擬“薩爾維阿蒂大船”，在運(yùn)動中體現(xiàn)物體的慣性，更加充分地向?qū)W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(yùn)動狀態(tài)無關(guān)。通過該演示實(shí)驗(yàn)的觀察和分析，相信學(xué)生可以很容易理解生活中的一些利用慣性的實(shí)例，比如，跳遠(yuǎn)運(yùn)動員助跑后，飛身一躍，靠自身慣性在空中繼續(xù)前進(jìn)等事例。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 人教社物理教材編寫組.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)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(xué)史[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2005.

（責(zé)任編輯 易志毅）