自制液体与气体惯性演示仪

蒋德伟

摘  要 【目的】结合教材，帮助学生理解“一切物体都具有惯性”。【方法】自制液体惯性演示仪和气体惯性演示仪，演示液体与气体的惯性。【结果】液体惯性演示仪：当玻璃管向下运动时，玻璃管中的水保持静止状态，演示了液体具有惯性。气体惯性演示仪：短距离内烟圈的水平匀速运动演示了气体具有惯性。【结论】自制液体惯性演示仪和气体惯性演示仪，能够生动形象地演示液体与气体具有惯性，使学生形象地理解惯性的概念，弥补教材的不足。

关键词 惯性;液体;气体;惯性演示仪;牛顿第一定律

中图分类号：G633.7    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）11-0134-03

0  引言

从牛顿第一定律可以知道，如果物体不受力的作用，原来静止的物体一直保持静止状态，原来运动的物体将保持其速度一直运动下去。一切物体都有保持原来运动状态不变的性质，人们把这种性质叫作惯性[1]。通过分析，可以发现教材这段话有两层含义：一是对惯性进行了定义，即物体保持原来运动状态不变的性质叫作惯性;二是阐述了具有惯性的物体的范围，即一切固体、液体和气体，不论其处于静止状态还是运动状态，都具有惯性。

随后的教材内容讲述了两个惯性现象。一是静止的物体具有惯性：用力弹出小球底下的金属片时，小球不随金属片飞出。二是运动的物体具有惯性：汽车突然刹车时，乘客身体会前倾;汽车突然开动时，乘客身体向后仰。

两个利用惯性的例子：跳远运动员助跑以提高成绩;撞击锤柄下端，锤头就会牢牢地套在锤柄上。防止惯性带来危害的例子：交通工具要配备刹车系统、安全带和安全气囊。但是，每一个事例都限于固体的惯性，对于液体和气体的惯性却未提及。于是，笔者制作了液体惯性演示仪与气体惯性演示仪作为教材补充并运用在教学中，收到良好效果。

1  准备材料与工具

1.1  液体惯性演示仪

所需材料：外径32 mm、长30 mm的透明亚克力管道，外径17 mm、长4 mm的透明亚克力管，厚3 mm的透明亚克力平板，厚3 mm的橡胶板，101胶，热熔胶，外径17 mm、长600 mm的玻璃管（锅炉销售处有售），外径16 mm的铝塑管配套管件，厚3 mm左右的塑料板，电工胶带，橡皮筋，自攻螺丝，小螺丝配套螺母，24 V DC电动机（纯净水机设备上使用电动机），0～12 V可调教学电源，旧仪器底座及支架材料PPR管。

所需工具：手工锯、手电钻、美工刀、螺丝刀、锉刀、剪刀、细砂纸、电工钳、热熔胶枪、圆规等。

1.2  气体惯性演示仪

所需材料：羽毛球包装桶、铁质长方体茶叶盒、铁丝网、废旧烧水壶嘴、艾叶、宽胶带、火柴等。

2  制作方法

2.1  液體惯性演示仪

2.1.1  单向阀的制作  用圆规在厚3 mm的透明亚克力平板上画两个直径为32 mm的圆，用手电钻在其中的一个圆内均匀地钻6～7个小孔，用直径为17 mm的开孔圆锯在另一个圆的中心钻一个较大的孔，再用直径为32 mm的开孔圆锯将两个圆从透明亚克力平板上切下来做成两个带孔的圆盘。然后用细砂纸将两个圆盘的边缘磨平，以恰好能放入外径32 mm、长30 mm的透明亚克力管道为准。

用圆规在厚3 mm的橡胶板上画一个直径比上述两个圆盘小2 mm左右的圆，再用剪刀沿圆线剪下，形成一个圆橡胶盘。

用手电钻在外径17 mm、长40 mm的透明亚克力管的一端均匀地钻几个小孔。

组装单向阀：将钻有6～7个小孔的透明亚克力圆盘放入外径32 mm、长30 mm的透明亚克力管道内的下端，用101胶沿透明亚克力圆盘边缘粘牢;将圆橡皮盘放入管道内;将另一个中心钻有一个较大的圆孔的透明亚克力圆盘放入外径32 mm、长30 mm的透明亚克力管道内的上端，用101胶沿透明亚克力圆盘边缘粘牢;将外径17 mm、长40 mm的透明亚克力管道有小孔的一端插入上端圆盘中，深度距圆橡胶盘2～3 mm，用101胶粘牢，这样单向阀就做好了，如图1所示。

将单向阀和外径17 mm、长60 mm的玻璃管对接后用热熔胶粘在一起，用电工胶带缠绕固定。

2.1.2  玻璃管支架的制作  用手工锯从塑料板上裁下边长为40 mm的正方形板和底边宽70 mm、上端宽30 mm、长170 mm的梯形板，在电动机螺丝孔对应处的塑料板上钻孔，用螺丝将正方形板固定在电动机的下部，将方形板固定在电动机的上部，在下部塑料板的下端和上部塑料板的上端分别用自攻螺丝固定一个直径16 mm铝塑管配套管件的螺母，并使它们的中心线在同一直线上，能让玻璃管穿行其中。

2.1.3  驱动装置的制作  从塑料板上裁下直径为85 mm的圆盘（作为曲轴）和宽15 mm、长120 mm的长方形板（作为连杆），这套装置将电动机的转动转化为玻璃管的上下振动，与内燃机中曲轴和连杆的作用将活塞的往复运动转化为曲轴的转动作用相反，形成鲜明对比，引发学生观察与思考。用细砂纸磨边，并在圆盘边缘处及长方形板两端钻小孔。

启动电动机，用锉刀将电动机轴上的凸轮表面磨平。

用101胶将圆盘粘在凸轮表面，再启动电动机用锉刀将圆盘磨圆。然后，用螺丝将长方形板（连杆）一端的小孔与圆盘的小孔相连，另一端的小孔与一个16 mm铝塑管配套管件的螺母相连，两连接处能自由活动，作用相当于汽油机的曲轴和连杆，将电动机的转动转化为玻璃管在竖直方向上的往复运动。

2.1.4  电动机支架的制作  裁取一块略大于电动机底座的木板，在直径16 mm、长约400 mm的PPR管中嵌入圆木，然后用螺丝将木板、PPR管和一个较重的铁座（拆自旧教学仪器）组装起来，做成电动机支架。

2.1.5  液体导流装置的制作  取一个内口径为17 mm的饮料瓶，在瓶口与瓶身之间的瓶肩中部开一个直径8 mm的圆孔，用热熔胶将一段长40 mm、直径8 mm的PPR管粘在圆孔处作为出水管;再用热熔胶将一个16 mm铝塑管配套管件（含螺母与螺丝管）的螺丝管粘接在瓶口上，一个液体导流装置制成，它能很好地防止水从玻璃管口溢出后四散，而流向规定的方向（见图2）。

2.1.6  总装（见图3）  用自攻螺丝将电动机固定在电动机支架上，让玻璃管无阀门端（即上端）由下而上依次穿过玻璃管支架的下端螺母、连杆一端的配套管件（螺母与螺丝管，并且在螺母与螺丝管之间套两圈橡皮筋）和玻璃管支架的上端螺母。

将液体导流装置的螺母套在玻璃管无阀门端（即上端），再在玻璃管上缠绕2～3圈橡皮筋，然后将液体导流装置的螺丝管与螺母旋紧，保证玻璃管与液体导流装置的密封。

调节玻璃管的位置，然后将螺丝管与螺母旋紧，利用摩擦力将玻璃管与连杆相连，让玻璃管获得电动机传来的动力。

2.2  气体惯性演示仪

制作烟气炉：在茶叶盒盖上开一个20 mm×30 mm的孔;剪下烧水壶嘴，壶嘴的周边留下覆盖住20 mm×30 mm的孔边沿;用螺丝将壶嘴和茶叶盒盖固定在一起;在茶叶盒身上偏下的位置开一个20 mm×40 mm的孔;裁剪铁丝网，宽度略小于茶叶盒的宽，长度比茶叶盒的长多出50 mm;将裁好的铁丝网距两端25 mm垂直弯折（弯折部分做支架），放入茶叶盒中，烟气炉就做成了（见图4）。

在羽毛球包装桶的顶端开一个直径30 mm左右的圆孔，然后用宽胶带纸粘贴，备用。

3  工作过程、现象与结果

3.1  液体的惯性演示仪

把玻璃管的下端（即单向阀）浸入水中约200 mm处，将学生电源的电压设置为直流2 V，闭合开关，电动机慢慢地转动，玻璃管慢慢地上下往复运动。玻璃管向上运动时，单向阀关闭，水随玻璃管向上运动;当玻璃管向下运动时，水由于受到重力也向下运动（定性地体现牛顿第二定律，与高中学习物理课衔接）[2]，与玻璃管的运动同步，没有体现出水的惯性。

将学生电源的电压设置为直流4 V，闭合开关，电动机的转动明显加快，玻璃管上下往复运动也明显加快。玻璃管向上运动时，单向阀关闭，水随玻璃管向上运动;当玻璃管向下运动时，水由于惯性保持静止状态（体现牛顿第一定律）[3]，玻璃管和水柱产生相对运动。此时，单向阀打开，又有一些水进入玻璃管中。若以玻璃管为参照物，是水柱在玻璃管中上升了。

将学生电源的电压设置为直流6 V，闭合开关，电动机迅速转动，玻璃管迅速上下往復运动。此时，观察到玻璃管中的水面现象是：上升、停顿，上升、停顿……上升是因为玻璃管上升时，单向阀关闭，对水柱产生向上的推力;停顿是因为玻璃管下降时，单向阀打开，水柱由于惯性保持原来的静止状态。玻璃管上下往复运动十次左右，水面就能上升到液体导流装置内;玻璃管再上下往复运动几次，就有水从侧管中间断地流出。

制作液体惯性演示仪具有更深层次的意义。在讲述大气压后，大多数教师会给学生分析活塞式抽水机和离心式水泵的工作原理，由于知识面较窄，在学生思想中往往形成片面认识：抽水机是利用大气压来工作的。严格意义上来讲，这个认识是错误的，它犯了以偏概全的错误。生活和生产中有各种各样的抽水机，除活塞式抽水机和离心式水泵以外，还有潜水泵、轴流泵、泥浆泵、混流泵、隔膜泵以及各种各样的专用泵，它们的工作原理不尽相同。设计制作液体惯性演示仪，其本质就是一台惯性抽水机，它是利用惯性来工作的，不是利用大气压来工作的。

3.2  气体惯性演示仪

通过燃烧多种燃料发现：木材、树枝、树叶、庄稼秸秆、杂草等在燃烧过程中要发出旺盛的火苗，但烟雾较少，而艾叶特别是稍微潮湿的艾叶，在燃烧过程中没有火苗，产生的浓烟较多。在本实验中选择艾叶作燃料。将艾叶放入烟气炉中，盖上盒盖，用火柴将艾叶点燃，一会儿就有浓烟从壶嘴冒出。让壶嘴靠近羽毛球包装桶下端口的内边一侧，由于浓烟温度高、密度小，在羽毛球包装桶中上升，桶内的冷空气下降，当桶的下端开口处有浓烟溢出时，说明桶内已灌满烟气。然后用橡皮膜把包装桶下端开口蒙上并用绳捆紧，左手持羽毛球包装桶，使其呈水平状态，撕掉包装桶前端的宽胶带纸，用右手有节奏地轻拍橡皮膜三次，便会看到从小孔处先后喷出三个烟圈，短距离内烟圈水平匀速向前运动。

4  讨论

液体惯性演示仪，通过多次实验，将学生电源的电压设置为直流4 V时，闭合开关，电动机的转动明显加快，玻璃管上下往复运动也明显加快。当玻璃管向上运动时，单向阀关闭，水随玻璃管向上运动;当玻璃管向下运动时，水静止，水的静止是由于惯性。将学生电源的电压设置为直流6 V，闭合开关，电动机迅速转动，玻璃管迅速上下往复运动。此时，观察到玻璃管中的水面现象是：上升、停顿，上升、停顿……上升是因为玻璃管上升时，单向阀关闭，对水柱产生向上的推力;停顿是因为玻璃管下降时，单向阀打开，水柱由于惯性保持原来的静止状态。玻璃管上下往复运动十次左右，水面就能上升到液体导流装置内;玻璃管再上下往复运动几次，就有水从侧管中间断地流出。

气体惯性演示仪，短距离内烟圈水平匀速向前运动的现象，演示了气体状态存在的烟气具有惯性。

结论：演示仪很好地演示了液体和气体都具有惯性。

参考文献

[1]义务教育教科书 物理 八年级 下册[M].北京：人民教育出版社，2012.

[2]张世明，李玉华.简易抽水机[J].教学仪器与实验，2014（10）：50-51.