初中物理创新实验惯性演示器———设计方案.doc

初中物理创新实验
惯性演示器——— 设计方案

一、概述
牛顿第一定律是物理学中非常重要的定律之一，它揭示了物体的一个重要性质——惯性，即一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态。该定律安排在人教版初中物理第十二章第五节进行教学，是研究运动和力的基础。在人类社会生活和生产实践中具有重要的指导作用。回顾物理学发展史，从亚里斯多德的《物理学》问世到现在已经有约二千三百年的历史，但是在牛顿第一定律未发现的前二千年中，物理学发展一直举步维艰，原因是什么？原因是人们受到了亚里斯多德提出的力是物体运动原因的错误理论的束缚。直到后来牛顿第一定律产生，人们对物理学的研究才仅仅约三百年的时间，就有了突飞猛进的发展，可见，这一定律有多么的重要。但是，在对这一定律的教学中，人们又无法设计一个好的实验来直接验证，因为在实际中找不到不受力的物体。在这里,我根据牛顿第一定律，以钢球为研究对象，利用平衡力使小车连同所携带的钢球产生近似匀速直线的运动，忽略空气对前进钢球的阻力，运用推理的方法对物体这一重要性质——“惯性”加以说明。此实验还有好多方面有待完善，敬请各位同仁不吝赐教。

二、设计思路
该实验利用“惯性定律——一切物体在不受力时，总保持静止或匀速直线运动。”进行设计。重点说明物体在不受力时保持其原来匀速直线运动的情况。实验时，让携带钢球的小车产生近似匀速直线的运动，当钢球脱离发射器后（如果忽略空气对它的阻力，在水平方向上钢球不受其它力的作用），从高处落下，恰巧落在了保持匀速直线运动小车的回收仓里。这一事实说明，原本做水平直线运动的钢球不受力时，在其下落过程中始终保持在回收仓的正上方随小车一同继续着原来水平方向的运动。
另外，顺便对教材第46页图12.5—5演示静止的装置做了一点小小的改动，即把其中的弹片改为弹簧，使得成功率提高了一些。

三、、基本结构
如图1所示，该仪器主要由跑道、跑道调节器、小车、立杆、小车推动器、弹道平台、投弹器、钢球、钢球回收仓和钢球托片等构成。

图 1
四、主要用途及操作方法（见视频）
1、 演示惯性定律内容之一：静止的物体在不受力时保持静止。
教材第46页图12.5—5演示静止的装置中，利用金属弹片弹飞托片，尽管成功率是比较高的，但是，还是比较难把握，有时出现连同钢球弹飞的情况。该实验将金属弹片改为弹簧，使得成功率提高了一些。如图 2所示
操作时，实验者只需将托片放在立杆上，用左手捏住托片的一角，然后将钢球放到托片上（托片上有一小孔），右手水平拉伸弹簧，左手松开，此时托片飞出，钢球会落到立杆上。如图 2所示

图2
2、演示惯性定律内容之二：做匀速直线运动的物体在不受力时保持原来的运动状态。（见图3）

图3

因为实际中不受力的物体是不存在的，所以，惯性定律不能用实验直接演示。但是，我们可以通过物体惯性表现出的现象加上合理的推理来说明惯性定律的真实性。该演示使小车受平衡力的作用产生近似匀速直线的运动，忽略空气对钢球的阻力，在合理的推理下间接说明物体惯性的存在。其中的推理是指：假如原来连同小车做水平匀速直线运动的钢球投下的高度无限高，那么钢球就始终回不到回收仓，而回收仓始终在钢球的正下方做匀速直线运动，所以钢球也就保持着原来水平方向上的匀速直线运动。
3、模拟飞机投弹（见图3）
实验说明保持匀速直线运动的飞机投弹后，如果忽略空气对炸弹的阻力，那么在炸弹落地的那一刻，飞机在炸弹的正上方。
4、演示平抛运动（见图3）
钢球离开发射器做平抛运动。（注：如果给该仪器配上频闪照相和坐标背景，则可以用于定量研究平抛运动。）
以上2、3、4项演示方法类同，具体如下：
将仪器放在平台上 → 调节跑道调节器，使跑道上的小车轻轻推一下就能做近似匀速直线的运动→使小车保持在跑道上，调节投弹器，直至让钢球从投弹器中投下正好落入回收仓→将小车置于小车推动器处，使其紧靠导向靠板并挤压弹簧→将钢球放入投弹器，并使弹道平台水平→松手放开小车。
使用以上步骤，调整小车对小车推动器上弹簧的压缩程度产生不同的速度，换用高低不同的弹道平台变化钢球投下的高度，用来演示不同情况。
（如图3所示 另外见视频 ，在视频播放器上，点击“截图”使用滚动条找到投弹的前一刻视频，然后连续点击“微调”，可以看到如图3 的情景。次操作可用于视频教学和定量研究平抛运动。）
五、实验效果
1、设计符合科学原理，对惯性定律和飞机投弹过程有一定的说明。如果将实验过程制成录像进行慢放或利用频闪照相摄成照片，用在教学中效果更好。同时，这些录像和照片也可以用于平抛运动的定量分析。
2、现象明显，可视度高。
实验中，观察者虽然看不清钢球下落的过程，但是可以看到钢球落入不停运动小车上的事实。如果要看清整个过程，可以通过频闪照相或视频中的慢放形式，看到如图3的情景。
3、给学生以耳目一新、精妙、刺激的感觉，产生明显的认知冲突，造成深刻的影响，激发学生的学习兴趣。
例如：实验一，在约60厘米高的钢管上口处放一带弹簧的小托片，再在托片上放上钢球，拉伸弹簧，在放手的前一刻学生的心就绷的很紧。随后放手，托片飞了，而钢球却稳稳的落到了钢管口。实验二，小车在被弹出后，钢球从高处落下，准确落入小车上口径比它大不多的小桶里。等等。
4、操作简便，安全可靠。
六、注意事项
1、在进行试验一时，应给小车下垫上棉布防止小车滑动，释放托片时要平稳。
2、在进行实验二时，应将跑道放在水平桌面上，首先调整跑道调节器，使小车在轻轻推一下就能在跑道上做近似匀速直线的运动。然后，把小车放在跑道上，从投弹器上试投钢球，使其准确落入回收仓，不然就要通过调节跑道或投弹器，直到钢球准确落入回收仓。另外，要使弹道水平，在小车发出前，要使其紧靠靠板，平稳释放小车。