一種慣性現(xiàn)象演示裝置

龔韓莉，代 偉

(西華師范大學(xué) 物理與空間科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637002)

靜止的物體具有慣性，運(yùn)動(dòng)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(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員的助跑，汽車安全帶，拍打灰塵等等。力學(xué)是高中生在物理學(xué)習(xí)中的一個(gè)永久心頭病，慣性定律是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，因此學(xué)好慣性對(duì)學(xué)生學(xué)好經(jīng)典力學(xué)尤為重要。但是很多學(xué)生對(duì)慣性的理解總是停留在表面，如果教師在教學(xué)過程中僅采用講授法進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生則只能通過想象來構(gòu)造慣性現(xiàn)象，從而造成學(xué)生對(duì)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(jìn)行授課，學(xué)生對(duì)慣性的理解則能達(dá)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(jié)構(gòu)粗糙，操作復(fù)雜，演示效果不明顯，不易引起學(xué)生的興趣，對(duì)已有的慣性現(xiàn)象演示儀進(jìn)行了改進(jìn)，采用直流電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制絲桿滑臺(tái)勻速或加速運(yùn)動(dòng)，通過安裝在滑臺(tái)上的金屬小球下落裝置能很好地演示靜止的和運(yùn)動(dòng)的物體都有慣性。新設(shè)計(jì)的慣性現(xiàn)象演示儀結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，現(xiàn)象直觀，更有利于學(xué)生直觀理解靜止的和運(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu)

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

圖1 慣性現(xiàn)象演示裝置結(jié)構(gòu)圖

金屬小球可以放在安裝直流電磁鐵有機(jī)板的上方也可以用電磁鐵吸住放在電磁鐵下方，結(jié)構(gòu)如圖3所示。一個(gè)裝有橡皮泥的紙杯放在小球下落正下方的絲桿平臺(tái)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(guān)采用干簧管磁控開關(guān)控制，磁鐵安裝絲桿滑臺(tái)底部的鋁合金連接桿上，使用時(shí)磁鐵的位置可以根據(jù)需要向左或向右移動(dòng)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 立柱安裝結(jié)構(gòu)圖

圖3 電磁鐵安裝圖

圖4 電池盒、磁控開關(guān)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(tái)的滑臺(tái)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(gè)金屬小球。接通電源把電源電壓調(diào)到電機(jī)的最高工作電壓，按下電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)開關(guān)，在電機(jī)的帶動(dòng)下絲桿使滑臺(tái)突然向左或向右運(yùn)動(dòng)，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(dāng)支撐小球的亞克力板運(yùn)動(dòng)離開后，靜止的小球由于具有慣性仍然要保持原來的靜止?fàn)顟B(tài)而不會(huì)隨支撐板一起運(yùn)動(dòng)，所以通過實(shí)驗(yàn)會(huì)觀察到靜止的金屬小球會(huì)從原來靜止的位置落下。裝置通過此實(shí)驗(yàn)可以演示靜止的物體具有慣性且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀，演示方法也很簡單，學(xué)生容易理解。

2.2 運(yùn)動(dòng)的物體有慣性演示

如圖4所示，演示前先將滑臺(tái)移置在儀器底座的最左邊或最右邊，磁控開關(guān)的磁鐵放在儀器絲桿滑臺(tái)中間位置。將電池盒的開關(guān)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(jī)正反轉(zhuǎn)開關(guān)使電機(jī)通過絲桿帶動(dòng)滑臺(tái)勻速向左或向右運(yùn)動(dòng)，當(dāng)滑臺(tái)勻速移動(dòng)到磁鐵安裝位置時(shí)磁控開關(guān)動(dòng)作使電磁鐵的線圈斷電，金屬小球此時(shí)自由落下。由于運(yùn)動(dòng)的物體也具有慣性，金屬小球在電磁鐵斷電之前是隨滑臺(tái)一起做勻速直線運(yùn)動(dòng)，磁鐵斷電小球下落時(shí)仍然要保持原來的勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以學(xué)生通過演示裝置可以觀察到下落的金屬小球會(huì)剛好掉入滑臺(tái)上的紙杯中，則證明運(yùn)動(dòng)的物體也具有慣性。

3 結(jié) 語

新設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)物體的慣性現(xiàn)象演示儀操作簡單，現(xiàn)象直觀明了，設(shè)計(jì)大方巧妙，能夠很好的吸引學(xué)生的注意力，并引發(fā)對(duì)物理學(xué)習(xí)和自制教具的興趣，由內(nèi)而外的提升學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，培養(yǎng)學(xué)生觀察能力和思考問題的能力，同時(shí)還能幫助教師突破教學(xué)中的重難點(diǎn)，提高教學(xué)效率。此外該教具可多次循環(huán)利用，環(huán)保高效。