何嬌嬌,代 偉

(西華師范大學 物理與空間科學學院，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動狀態(tài)或靜止狀態(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驗裝置很多，但沒有專用的牛頓第一定律演示儀，在教學時多數教師就地取材進行伽利略的理想斜面實驗的簡單演示. 這樣的演示雖然能對慣性定律進行理想化演示，但學生往往感覺不到運動的物體有慣性. 另外演示功能單一，只能演示運動的物物體具有慣性，不能演示靜止的物體和液體也具有慣性[1-2].為此設計并制作了多功能慣性定律演示儀,演示儀克服了現有慣性定律演示裝置的缺陷，操作方便、高效，能夠演示運動、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構

多功能慣性定律演示儀實物圖如圖1所示，結構示意圖如圖2所示，彈射小車內部結構如圖3所示. 演示儀以水平安裝的基板為基礎,設計有速度可調的往復直線牽引機構、彈射小車、運動物體慣性演示機構、靜止物體慣性演示機構和液體慣性演示機構.

1.1 總體結構

演示儀建立在水平安裝的基板上. 基板上安裝有水平儀,用于檢測基板是否水平. 在基板上安裝2根絲桿導軌，彈射小車的凹槽滑輪卡在導軌上，可以保證小車做直線運動且在運動中不會出現打滑現象. 在基板的兩側安裝控制小車做往復運動的位置開關、電源開關和調速電位器. 位置開關用于控制直流電機的正反轉，電源開關控制直流電機和電磁彈射裝置的電源通斷，調速電位器控制直流電機的轉速.

1.2 往復直線牽引機構

往復直線牽引機構包括絲桿導軌、牽引繩、滑輪機構和轉速可控的直流電機及調速電位器. 滑輪機構包括滑輪支架和安裝在滑輪支架上的定滑輪. 滑輪機構和直流電機分別安裝在基板的兩端和基板后面. 絲桿導軌沿左右方向布置在基板上，當牽引電機做正轉或反轉運動時彈射小車可在導軌上做往復運動且不會打滑，以此保證小車在導軌上作勻速直線運動.

1.3 運動物體慣性演示機構

運動物體慣性演示機構包括彈射小車、磁控開關、磁鐵、塑料杯和裝有水的乒乓球. 塑料杯為漏斗狀結構，演示時先給彈射小車內的電磁鐵通電，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，此時將裝有水的乒乓球分別置于2個塑料杯內.

1.4 靜止物體慣性演示機構

靜止物體慣性演示機構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組成.

1.5 液體慣性演示機構

裝水盒固定連接在彈射小車的右端,其內部通過隔板將裝水盒分成左右2部分,實驗時只在裝水盒的一側倒入顏料水.

圖1 多功能慣性定律演示儀實物圖

圖2 多功能慣性定律演示儀結構示意圖

圖3 彈射小車內部結構圖

2 演示儀的使用方法

演示儀主要通過直流電機的正反轉來帶動牽引繩拖動彈射小車做直線運動,其運動速度通過調速電位器控制,小車可做勻速運動、加速運動或者減速運動.

2.1 運動物體慣性的演示

2.1.1 小車勻速運動

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,啟動直流電機,使彈射小車運動到最左端或最右端然后停下. 調節(jié)調速電位器讓彈射小車從最左端或最右端開始以一定的速度做勻速運動,當彈射小車上的霍爾傳感器運動到磁鐵所在的位置時,霍爾磁控開關觸發(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動狀態(tài),即在水平方向上繼續(xù)做勻速直線運動,經過一定時間后塑料球又會落到塑料杯中. 如讓電機反轉也可觀察到同樣的實驗現象. 通過調速電位器改變直流電機的轉速,彈射小車做勻速運動的速度也將改變. 盡管小車做勻速直線運動的速度發(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,塑料球還會落回原來的塑料杯中.

2.1.2 小車加速或減速運動

彈射小車運動到基板上的磁鐵位置附近,并讓彈射小車突然加速或減速，此時塑料球在水平方向會受到力的作用,不再滿足慣性定律的條件,那么被豎直彈出的塑料球將不能落回原來的塑料杯中：當彈射小車加速,則彈出去的塑料球會落到彈射小車后面；當小車減速，則彈出去的塑料球會落到彈射小車前面. 所以在彈射小車加速和減速時彈出的塑料球都不能落回原來的塑料杯中.

2.1.3 小車靜止

在彈射小車靜止時，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落回原來的塑料杯中.

2.2 靜止物體慣性的演示

在演示靜止的物體具有慣性時,讓彈射小車以較大的速度突然啟動,此時會觀察到彈射小車運動離開了,但金屬球會掉入其下方裝有砂子的裝砂盒中，即彈射小車離開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

向裝水盒的一側裝水槽內倒入顏料水，另一側裝水槽空置,讓彈射小車向裝水的一側突然運動,那么顏料水會翻過隔板向另一側空裝水槽運動. 向運動方向的前裝水槽內倒入顏料水,后裝水槽空置,讓彈射小車突然停下或撞向端部的擋塊,那么顏料水也會翻過隔板向原空裝水槽內運動. 上述實驗即演示了液體也有慣性.

3 結束語

慣性是重要的物理概念. 雖然學生在初中接觸過，但仍有學生誤認為“物體在保持勻速直線運動或靜止時才有慣性”，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，實驗效果明顯. 演示儀所創(chuàng)設的物理情境給學生的感覺既新穎又有趣，激發(fā)了學生的學習興趣，啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維.