一种惯性现象演示装置

2021-05-07龚韩莉

大学物理实验 2021年1期

龚韩莉，代伟

(西华师范大学物理与空间科学学院，四川南充 637002)

静止的物体具有惯性，运动的物体也具有惯性。惯性现象作为牛顿第一定律的重要表象，在日常生活中的例子很多，例如跳远运动员的助跑，汽车安全带，拍打灰尘等等。力学是高中生在物理学习中的一个永久心头病，惯性定律是经典力学的基础，因此学好惯性对学生学好经典力学尤为重要。但是很多学生对惯性的理解总是停留在表面，如果教师在教学过程中仅采用讲授法进行教学，学生则只能通过想象来构造惯性现象，从而造成学生对惯性定律的理解停留在字面概念上[1,2]。但是如果教师借助直观的自制教具进行授课，学生对惯性的理解则能达到透过现象看本质的境界，从而深刻理解惯性定律。

现有的惯性现象演示仪结构粗糙，操作复杂，演示效果不明显，不易引起学生的兴趣，对已有的惯性现象演示仪进行了改进，采用直流电动机正反转控制丝杆滑台匀速或加速运动，通过安装在滑台上的金属小球下落装置能很好地演示静止的和运动的物体都有惯性。新设计的惯性现象演示仪结构简单，操作简便，现象直观，更有利于学生直观理解静止的和运动的物体都有惯性的物理原理[3-5]。

1 惯性现象演示装置的结构

演示装置如图1所示，装置由丝杆滑台，调速直流电机，可调直流电源，立柱，小球下落装置等构成。仪器用一丝杆滑台作为底座，调速直流电机与丝杆通过联轴器连接在一起，直流电机由可调直流电源供电，通过控制直流调速电机的正反转可使丝杆滑台向左或向右做变速或匀速直线运动。立柱下端安装在滑台上如图2所示，上端安装一个直流电磁铁装置如图1所示。

图1 惯性现象演示装置结构图

金属小球可以放在安装直流电磁铁有机板的上方也可以用电磁铁吸住放在电磁铁下方，结构如图3所示。一个装有橡皮泥的纸杯放在小球下落正下方的丝杆平台上。电磁铁由干电池供电，电池盒固定在立柱的后下方如图2所示。电磁铁的断电开关采用干簧管磁控开关控制，磁铁安装丝杆滑台底部的铝合金连接杆上，使用时磁铁的位置可以根据需要向左或向右移动，结构如图4所示。

图2 立柱安装结构图

图3 电磁铁安装图

图4 电池盒、磁控开关安装图

2 惯性现象演示

2.1 静止的物体有惯性演示

如图3所示，演示前先将丝杆滑台的滑台放置在中间位置，然后在安装电磁铁的亚克力板上放置一个金属小球。接通电源把电源电压调到电机的最高工作电压，按下电动机的正转或反转开关，在电机的带动下丝杆使滑台突然向左或向右运动，但是放置在立柱顶部亚克力板上的金属小球原来是静止的，由于静止的物体具有惯性，当支撑小球的亚克力板运动离开后，静止的小球由于具有惯性仍然要保持原来的静止状态而不会随支撑板一起运动，所以通过实验会观察到静止的金属小球会从原来静止的位置落下。装置通过此实验可以演示静止的物体具有惯性且实验现象直观，演示方法也很简单，学生容易理解。

2.2 运动的物体有惯性演示

如图4所示，演示前先将滑台移置在仪器底座的最左边或最右边，磁控开关的磁铁放在仪器丝杆滑台中间位置。将电池盒的开关打开给电磁铁线圈通电，然后将金属小球吸在电磁铁的下方，将电源电压调到合适值然后按下电机正反转开关使电机通过丝杆带动滑台匀速向左或向右运动，当滑台匀速移动到磁铁安装位置时磁控开关动作使电磁铁的线圈断电，金属小球此时自由落下。由于运动的物体也具有惯性，金属小球在电磁铁断电之前是随滑台一起做匀速直线运动，磁铁断电小球下落时仍然要保持原来的匀速运动状态，所以学生通过演示装置可以观察到下落的金属小球会刚好掉入滑台上的纸杯中，则证明运动的物体也具有惯性。