惯性现象演示仪的改进

惯性是中学物理教学中非常重要的内容，是牛顿第一定律的重要表象，它揭示了任何物体都有保持原来的静止或匀速直线运动状态的性质[1]. 同时它又是典型的初高中知识相衔接的内容，具有承上启下的作用[2]. 为了在课堂教学中实现更好的教学效果，解决教学中的重难点，教具的使用就十分重要. 笔者对传统惯性演示仪进行了改进，改善了传统惯性演示仪无法演示惯性大小与质量大小之间的关系的缺点，并改进了传统惯性演示仪的其他不足.

1 传统惯性演示仪的缺陷

文献[1]第7章“力与运动”的第1节“科学探究：牛顿运动定律”的教学中，教师在给学生演示惯性实验时，主要采用如图1所示的惯性演示仪，利用弹簧片撞击载有小球的薄片，让弹簧片将薄片撞出，发现小球能落在圆桶上，而不会随着薄片一起飞出. 该装置可以生动形象地说明物体具有保持静止状态的性质，说明物体具有惯性. 然而该教具无法直观演示运动的物体具有惯性和惯性的大小由物体的质量决定，存在缺陷[3-5].

图1 传统惯性演示仪

在鲁科版普通高中课程标准实验教科书《物理(必修1)》第6章“力与运动”的第1节“牛顿运动第一定律”的教学中，教师一般通过概念叙述，利用教材上举的例子：1辆卡车和1辆小汽车以相同的速度行驶时，在同一时刻2辆车一起刹车，发现卡车比小汽车更难停下，以此来说明质量大的物体惯性大. 然而此例子中含有太多的变量，如刹车时车受到的摩檫力不同、刹车性能不同、体积不同等，此现象不能很好地控制变量，而且在课堂中无法进行现场演示，学生不能获得很好的感性认识. 所以通过这个例子并不能很好地说明惯性与质量的关系.

为了较好地解决这些问题，笔者对教具进行改进，使教具既可以演示运动的物体具有惯性，又可以演示静止的物体具有惯性；把物体惯性的无形属性具象化，通过实验现象，说明物体惯性的大小与物体的质量有关. 让学生直观地看到现象，也可以让学生亲自来操作，更有利于学生对惯性的学习.

2 惯性演示仪的改进与创新

2.1 演示静止和运动的物体具有惯性

1)演示静止物体具有惯性的实验

实验装置如图2所示，利用可伸长的橡皮筋在L型导轨板上拉动L型木块将其拉到适当的位置，再突然放手观察小球的运动情况，挡板固定不动. 发现在刚放手时小球掉落原地，没有随着L型木块一起向前运动，说明静止的物体具有惯性[6].

图2 实验装置原理图

2)演示运动的物体具有惯性的实验

实验装置如图3所示，利用可伸长的橡皮筋在L型导轨板上拉动L型木块将其拉到适当的位置，再突然放手,观察小球的运动情况，挡板固定不动. 发现L型木块碰到挡板停止时，小球没有停止，继续向前运动，说明运动的物体具有惯性[6].

图3 实验装置原理图

3)教具创新点

该教具思路巧妙，操作方便. 通常课堂上对惯性现象实验的演示需要分别演示运动物体和静止物体的惯性现象，本文的演示实验可以完成2个实验，还可以同时演示静止和运动的物体具有惯性[6].

2.2 演示质量是惯性的固有属性实验

1)实验步骤

实验装置如图4所示，在L型木块上从左往右依次放上3个体积相同、质量不同的钢球、木球和乒乓球，并用挡板将三者隔开，在挡板前用双面胶贴上宣纸，通过拉动绑有橡皮筋的L型木块至导轨末端，然后放手，L型木块受到橡皮筋弹力的作用，使3个质量不同的小球向前运动，L型木块碰到障碍物时，3个球以相同速度撞击挡在小球面前的宣纸，观察宣纸的破裂程度，来反映物体惯性的大小. 可调节橡皮筋的伸长长度，实现3个小球撞击宣纸后使宣纸呈现出不同的破损程度.

图4 实验装置示意图

2)实验现象与结论

当L型木块由于碰到挡板突然停止运动时，3个小球继续保持运动状态，钢球冲破宣纸继续运动；木球撞裂宣纸，停止运动，没有冲出纸面；乒乓球对宣纸没有造成明显的形变. 实验现象如图5所示. 此现象说明质量大的小球容易冲破纸面，说明它的运动状态难以改变，惯性较大. 而质量小的物体，不容易冲破纸面，它的运动状态容易被改变，可见它的惯性较小.

图5 宣纸不同破裂程度示意图

3)创新点

a.实验简洁，现象直观. 实验结果中，3个小球对宣纸的破损程度不同，实验现象明显.

文章来源：《中国惯性技术学报》 网址: http://www.zggxjsxbzz.cn/qikandaodu/2020/1017/341.html