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初中物理创新实验:惯性演示器——— 设计方案


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。

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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。

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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
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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) 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 图3

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
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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。 )
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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。
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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。

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