慣性現(xiàn)象演示儀的改進(jìn)

周亞斌，陳詩(shī)含，蘇曉霞，陳睿涵，黃樹(shù)清

(福建師范大學(xué) 物理與能源學(xué)院,福建 福州 350007)

慣性是中學(xué)物理教學(xué)中非常重要的內(nèi)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(lái)的靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)[1]. 同時(shí)它又是典型的初高中知識(shí)相銜接的內(nèi)容，具有承上啟下的作用[2]. 為了在課堂教學(xué)中實(shí)現(xiàn)更好的教學(xué)效果，解決教學(xué)中的重難點(diǎn)，教具的使用就十分重要. 筆者對(duì)傳統(tǒng)慣性演示儀進(jìn)行了改進(jìn)，改善了傳統(tǒng)慣性演示儀無(wú)法演示慣性大小與質(zhì)量大小之間的關(guān)系的缺點(diǎn)，并改進(jìn)了傳統(tǒng)慣性演示儀的其他不足.

1 傳統(tǒng)慣性演示儀的缺陷

文獻(xiàn)[1]第7章“力與運(yùn)動(dòng)”的第1節(jié)“科學(xué)探究：牛頓運(yùn)動(dòng)定律”的教學(xué)中，教師在給學(xué)生演示慣性實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(fā)現(xiàn)小球能落在圓桶上，而不會(huì)隨著薄片一起飛出. 該裝置可以生動(dòng)形象地說(shuō)明物體具有保持靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)，說(shuō)明物體具有慣性. 然而該教具無(wú)法直觀演示運(yùn)動(dòng)的物體具有慣性和慣性的大小由物體的質(zhì)量決定，存在缺陷[3-5].

圖1 傳統(tǒng)慣性演示儀

在魯科版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)《物理(必修1)》第6章“力與運(yùn)動(dòng)”的第1節(jié)“牛頓運(yùn)動(dòng)第一定律”的教學(xué)中，教師一般通過(guò)概念敘述，利用教材上舉的例子：1輛卡車(chē)和1輛小汽車(chē)以相同的速度行駛時(shí)，在同一時(shí)刻2輛車(chē)一起剎車(chē)，發(fā)現(xiàn)卡車(chē)比小汽車(chē)更難停下，以此來(lái)說(shuō)明質(zhì)量大的物體慣性大. 然而此例子中含有太多的變量，如剎車(chē)時(shí)車(chē)受到的摩檫力不同、剎車(chē)性能不同、體積不同等，此現(xiàn)象不能很好地控制變量，而且在課堂中無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示，學(xué)生不能獲得很好的感性認(rèn)識(shí). 所以通過(guò)這個(gè)例子并不能很好地說(shuō)明慣性與質(zhì)量的關(guān)系.

為了較好地解決這些問(wèn)題，筆者對(duì)教具進(jìn)行改進(jìn)，使教具既可以演示運(yùn)動(dòng)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(wú)形屬性具象化，通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，說(shuō)明物體慣性的大小與物體的質(zhì)量有關(guān). 讓學(xué)生直觀地看到現(xiàn)象，也可以讓學(xué)生親自來(lái)操作，更有利于學(xué)生對(duì)慣性的學(xué)習(xí).

2 慣性演示儀的改進(jìn)與創(chuàng)新

2.1 演示靜止和運(yùn)動(dòng)的物體具有慣性

1)演示靜止物體具有慣性的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，利用可伸長(zhǎng)的橡皮筋在L型導(dǎo)軌板上拉動(dòng)L型木塊將其拉到適當(dāng)?shù)奈恢茫偻蝗环攀钟^察小球的運(yùn)動(dòng)情況，擋板固定不動(dòng). 發(fā)現(xiàn)在剛放手時(shí)小球掉落原地，沒(méi)有隨著L型木塊一起向前運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明靜止的物體具有慣性[6].

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

2)演示運(yùn)動(dòng)的物體具有慣性的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，利用可伸長(zhǎng)的橡皮筋在L型導(dǎo)軌板上拉動(dòng)L型木塊將其拉到適當(dāng)?shù)奈恢?，再突然放?觀察小球的運(yùn)動(dòng)情況，擋板固定不動(dòng). 發(fā)現(xiàn)L型木塊碰到擋板停止時(shí)，小球沒(méi)有停止，繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)的物體具有慣性[6].

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

3)教具創(chuàng)新點(diǎn)

該教具思路巧妙，操作方便. 通常課堂上對(duì)慣性現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)的演示需要分別演示運(yùn)動(dòng)物體和靜止物體的慣性現(xiàn)象，本文的演示實(shí)驗(yàn)可以完成2個(gè)實(shí)驗(yàn)，還可以同時(shí)演示靜止和運(yùn)動(dòng)的物體具有慣性[6].

2.2 演示質(zhì)量是慣性的固有屬性實(shí)驗(yàn)

1)實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，在L型木塊上從左往右依次放上3個(gè)體積相同、質(zhì)量不同的鋼球、木球和乒乓球，并用擋板將三者隔開(kāi)，在擋板前用雙面膠貼上宣紙，通過(guò)拉動(dòng)綁有橡皮筋的L型木塊至導(dǎo)軌末端，然后放手，L型木塊受到橡皮筋彈力的作用，使3個(gè)質(zhì)量不同的小球向前運(yùn)動(dòng)，L型木塊碰到障礙物時(shí)，3個(gè)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(lái)反映物體慣性的大小. 可調(diào)節(jié)橡皮筋的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)3個(gè)小球撞擊宣紙后使宣紙呈現(xiàn)出不同的破損程度.

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論

當(dāng)L型木塊由于碰到擋板突然停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，3個(gè)小球繼續(xù)保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，鋼球沖破宣紙繼續(xù)運(yùn)動(dòng)；木球撞裂宣紙，停止運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有沖出紙面；乒乓球?qū)π垱](méi)有造成明顯的形變. 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖5所示. 此現(xiàn)象說(shuō)明質(zhì)量大的小球容易沖破紙面，說(shuō)明它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)難以改變，慣性較大. 而質(zhì)量小的物體，不容易沖破紙面，它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)容易被改變，可見(jiàn)它的慣性較小.

圖5 宣紙不同破裂程度示意圖

3)創(chuàng)新點(diǎn)

a.實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)潔，現(xiàn)象直觀. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，3個(gè)小球?qū)π埖钠茡p程度不同，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯.

b.成本低廉，性價(jià)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(duì)木料進(jìn)行切割，再拼接組裝即可.

c.操作簡(jiǎn)便，實(shí)用性強(qiáng). 學(xué)生也可以自制該教具，親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，可使學(xué)生對(duì)教具制作和物理知識(shí)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣，同時(shí)解決了只能在課堂上操作實(shí)驗(yàn)的空間局限性，讓學(xué)生充分體會(huì)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(dòng)形象，發(fā)散思維. 該教具讓學(xué)生明白物理也可以如此有趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，培養(yǎng)學(xué)生做生活的有心人，多留意生活中的物理現(xiàn)象，并且啟發(fā)學(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力[7].

3 結(jié)束語(yǔ)

改進(jìn)后的慣性演示儀較好地解決了傳統(tǒng)慣性演示儀的缺陷，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)內(nèi)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(jié)中慣性內(nèi)容的教學(xué)效果、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，讓更多學(xué)生親自動(dòng)手參與其中，從而突破教學(xué)重難點(diǎn). 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(zhǎng)時(shí)間保持形變狀態(tài)，利于實(shí)驗(yàn)觀察.