何嬌嬌,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)

慣性定律可表述為：一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它上面的外力迫使它改變這種狀態(tài)為止. 目前演示慣性定律的實(shí)驗(yàn)裝置很多，但沒(méi)有專用的牛頓第一定律演示儀，在教學(xué)時(shí)多數(shù)教師就地取材進(jìn)行伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)單演示. 這樣的演示雖然能對(duì)慣性定律進(jìn)行理想化演示，但學(xué)生往往感覺(jué)不到運(yùn)動(dòng)的物體有慣性. 另外演示功能單一，只能演示運(yùn)動(dòng)的物物體具有慣性，不能演示靜止的物體和液體也具有慣性[1-2].為此設(shè)計(jì)并制作了多功能慣性定律演示儀,演示儀克服了現(xiàn)有慣性定律演示裝置的缺陷，操作方便、高效，能夠演示運(yùn)動(dòng)、靜止的物體有慣性，也能演示液體具有慣性.

1 多功能慣性定律演示儀的結(jié)構(gòu)

多功能慣性定律演示儀實(shí)物圖如圖1所示，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，彈射小車內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示. 演示儀以水平安裝的基板為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)有速度可調(diào)的往復(fù)直線牽引機(jī)構(gòu)、彈射小車、運(yùn)動(dòng)物體慣性演示機(jī)構(gòu)、靜止物體慣性演示機(jī)構(gòu)和液體慣性演示機(jī)構(gòu).

1.1 總體結(jié)構(gòu)

演示儀建立在水平安裝的基板上. 基板上安裝有水平儀,用于檢測(cè)基板是否水平. 在基板上安裝2根絲桿導(dǎo)軌，彈射小車的凹槽滑輪卡在導(dǎo)軌上，可以保證小車做直線運(yùn)動(dòng)且在運(yùn)動(dòng)中不會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象. 在基板的兩側(cè)安裝控制小車做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的位置開(kāi)關(guān)、電源開(kāi)關(guān)和調(diào)速電位器. 位置開(kāi)關(guān)用于控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，電源開(kāi)關(guān)控制直流電機(jī)和電磁彈射裝置的電源通斷，調(diào)速電位器控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速.

1.2 往復(fù)直線牽引機(jī)構(gòu)

往復(fù)直線牽引機(jī)構(gòu)包括絲桿導(dǎo)軌、牽引繩、滑輪機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)速可控的直流電機(jī)及調(diào)速電位器. 滑輪機(jī)構(gòu)包括滑輪支架和安裝在滑輪支架上的定滑輪. 滑輪機(jī)構(gòu)和直流電機(jī)分別安裝在基板的兩端和基板后面. 絲桿導(dǎo)軌沿左右方向布置在基板上，當(dāng)牽引電機(jī)做正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)彈射小車可在導(dǎo)軌上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)且不會(huì)打滑，以此保證小車在導(dǎo)軌上作勻速直線運(yùn)動(dòng).

1.3 運(yùn)動(dòng)物體慣性演示機(jī)構(gòu)

運(yùn)動(dòng)物體慣性演示機(jī)構(gòu)包括彈射小車、磁控開(kāi)關(guān)、磁鐵、塑料杯和裝有水的乒乓球. 塑料杯為漏斗狀結(jié)構(gòu)，演示時(shí)先給彈射小車內(nèi)的電磁鐵通電，彈射銜鐵在電磁力的作用下克服彈簧作用力牢牢吸在電磁鐵的鐵芯上，此時(shí)將裝有水的乒乓球分別置于2個(gè)塑料杯內(nèi).

1.4 靜止物體慣性演示機(jī)構(gòu)

靜止物體慣性演示機(jī)構(gòu)由固定在彈射小車左端的金屬球限位盒、金屬球、裝砂盒和安裝在基板上的裝砂盒支撐臺(tái)組成.

1.5 液體慣性演示機(jī)構(gòu)

裝水盒固定連接在彈射小車的右端,其內(nèi)部通過(guò)隔板將裝水盒分成左右2部分,實(shí)驗(yàn)時(shí)只在裝水盒的一側(cè)倒入顏料水.

圖1 多功能慣性定律演示儀實(shí)物圖

圖2 多功能慣性定律演示儀結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 彈射小車內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 演示儀的使用方法

演示儀主要通過(guò)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)牽引繩拖動(dòng)彈射小車做直線運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)速度通過(guò)調(diào)速電位器控制,小車可做勻速運(yùn)動(dòng)、加速運(yùn)動(dòng)或者減速運(yùn)動(dòng).

2.1 運(yùn)動(dòng)物體慣性的演示

2.1.1 小車勻速運(yùn)動(dòng)

電磁線圈通電,磁鐵銜鐵在磁力的作用下壓縮彈簧,塑料球處于塑料杯的底部,啟動(dòng)直流電機(jī),使彈射小車運(yùn)動(dòng)到最左端或最右端然后停下. 調(diào)節(jié)調(diào)速電位器讓彈射小車從最左端或最右端開(kāi)始以一定的速度做勻速運(yùn)動(dòng),當(dāng)彈射小車上的霍爾傳感器運(yùn)動(dòng)到磁鐵所在的位置時(shí),霍爾磁控開(kāi)關(guān)觸發(fā)工作,切斷電磁線圈的電源,斷電后磁鐵鐵芯的磁力消失,磁鐵鐵芯在壓縮彈簧的作用下將塑料杯中的塑料球高高彈起,此時(shí)被豎直彈起的塑料球由于在水平方向不受力,所以它將保持原有的勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài),即在水平方向上繼續(xù)做勻速直線運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后塑料球又會(huì)落到塑料杯中. 如讓電機(jī)反轉(zhuǎn)也可觀察到同樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象. 通過(guò)調(diào)速電位器改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速,彈射小車做勻速運(yùn)動(dòng)的速度也將改變. 盡管小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度發(fā)生了改變,但是被豎直彈起的塑料球由于水平方向不受力仍然滿足慣性定律的條件,塑料球還會(huì)落回原來(lái)的塑料杯中.

2.1.2 小車加速或減速運(yùn)動(dòng)

彈射小車運(yùn)動(dòng)到基板上的磁鐵位置附近,并讓彈射小車突然加速或減速，此時(shí)塑料球在水平方向會(huì)受到力的作用,不再滿足慣性定律的條件,那么被豎直彈出的塑料球?qū)⒉荒苈浠卦瓉?lái)的塑料杯中：當(dāng)彈射小車加速,則彈出去的塑料球會(huì)落到彈射小車后面；當(dāng)小車減速，則彈出去的塑料球會(huì)落到彈射小車前面. 所以在彈射小車加速和減速時(shí)彈出的塑料球都不能落回原來(lái)的塑料杯中.

2.1.3 小車靜止

在彈射小車靜止時(shí)，將塑料球彈射出去,塑料球在水平方向仍然滿足慣性定律的條件,塑料球彈射前水平方向處于靜止,彈射后塑料球水平方向仍然處于靜止,所以彈出的塑料球仍然會(huì)落回原來(lái)的塑料杯中.

2.2 靜止物體慣性的演示

在演示靜止的物體具有慣性時(shí),讓彈射小車以較大的速度突然啟動(dòng),此時(shí)會(huì)觀察到彈射小車運(yùn)動(dòng)離開(kāi)了,但金屬球會(huì)掉入其下方裝有砂子的裝砂盒中，即彈射小車離開(kāi)后金屬球仍然保持水平方向靜止，落在其初始位置的正下方,從而演示靜止的物體有慣性.

2.3 液體慣性的演示

向裝水盒的一側(cè)裝水槽內(nèi)倒入顏料水，另一側(cè)裝水槽空置,讓彈射小車向裝水的一側(cè)突然運(yùn)動(dòng),那么顏料水會(huì)翻過(guò)隔板向另一側(cè)空裝水槽運(yùn)動(dòng). 向運(yùn)動(dòng)方向的前裝水槽內(nèi)倒入顏料水,后裝水槽空置,讓彈射小車突然停下或撞向端部的擋塊,那么顏料水也會(huì)翻過(guò)隔板向原空裝水槽內(nèi)運(yùn)動(dòng). 上述實(shí)驗(yàn)即演示了液體也有慣性.

3 結(jié)束語(yǔ)

慣性是重要的物理概念. 雖然學(xué)生在初中接觸過(guò)，但仍有學(xué)生誤認(rèn)為“物體在保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止時(shí)才有慣性”，不理解一切物體都有慣性. 多功能慣性定律演示儀克服了傳統(tǒng)慣性演示儀的缺陷，從不同的角度演示慣性定律，實(shí)驗(yàn)效果明顯. 演示儀所創(chuàng)設(shè)的物理情境給學(xué)生的感覺(jué)既新穎又有趣，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維.