高传刚

惯性教学是初中物理教学的重要组成部分，惯性内容比较抽象，惯性教学过程离不开教具的使用，而传统的教具在原理上存在缺陷，展示的内容也比较少。故本人经过多次的实验改进，自制了弹球式惯性小车。

1原教具的缺点

惯性是物体运动中的的基本概念。但是，学生要从传统实验所产生的现象中观察并思考清楚惯性的作用，却不是件容易的事情。因为影响这个实验的因素并不是单一的。如图1所示是教材中所展示的实验，实验应演示的现象是用直尺快速打下面的一个棋子，下面的一个棋子被打出，而上面的棋子掉落在原处，所作的解释是上面的棋子由于惯性要保持原来的静止状态，就留在原处。实际上并不是这样简单。在这个实验中，上面的棋子具有惯性，要保持原来的静止状态，但这里就有一个问题，上面的棋子是否要受到下面的棋子所施的摩擦力的作用呢？如果上面的棋子受到了下面的棋子所施的摩擦力的作用，它能否掉在原处，肯定还跟这个摩擦力的大小及作用的时间有关。现在对上下棋子分别进行受力情况分析。

设棋子之间的动摩擦因数为μ，则下面的棋子对上面的棋子的摩擦力为：

f上=μn上=μm上g

而f上=m上a上

所以a上=μm上g/m上=μg

由此可见，a上与上面的棋子的质量无关，仅由上面的棋子和下面的棋子之间的动摩擦因数来决定。这说明什么问题呢？实际上，在直尺对下面的棋子作用的过程中，上面的棋子和下面的棋子的加速度方向相同，上面的棋子能否掉落在原处，必须满足的一个条件就是下面的棋子的加速度至少大于上面的棋子的加速度。是否满足这个条件，从外力来说，当然直尺对下面的棋子的打击力越大越好；从棋子系统来说，决定的因素是下面的棋子对上面的棋子的摩擦力，只有当使上面的棋子加速所需要的摩擦力大于下面的棋子对上面的棋子所能施加的摩擦力时，上面的棋子和下面的棋子之间才可能相对滑动，上面的棋子才可能掉落在原处。即使上面的棋子和下面的棋子之间有了相对滑动，上面的棋子的加速度a上也不能太大，否则仍不能掉落在原处。而上面的棋子的加速度a上竟与质量无关，最后起作用的是上面的棋子和下面的棋子之间的动摩擦因数！换句话说就是，若上面的棋子和下面的棋子之间足够光滑的话，上面的棋子才有可能掉落在原处，否则不然，而与上面的棋子的质量如何是没有关系的。这是值得我们认真思考的一个问题，因为我们知道质量是物体惯性大小的量度，做为一个演示惯性的实验，能否得到所期望的现象，竟与物体的惯性大小无关，而是由与惯性无关的摩擦因数来决定的，这难道说得过去吗？这使得我们不得不要考虑它作为惯性演示实验的合适性问题。

多少年了，我们一直就这样向学生传递惯性的知识。类似的大同小异的例子还很多，也都被用来说明惯性的存在和作用。图2是一件教学中常用的，可以说是传统的、经典的教具了。笔者认为，这个实验应该按排在高中完成冲量定理的教学后来讲可能更好，因为这个实验真正能说明的是冲量定理。用于作初中物理惯性的演示实验，不仅存在前面所讲的问题和影响因素过于复杂的问题，而且对学生的前概念没有多少针对性，学生很容易用肤浅的“那是由于惯性”等说法来解释所有这一类现象。

那么如何针对这些问题，在立足于现在教材的基础上来考量这个实验呢？为此，笔者研究设计自制了《弹球式惯性小车》这一创新教具。

2改进型弹球式惯性小车

2.1教具装置图

装置图如图3所示。

2.2仪器的特点及用途

2.2.1特点

（1）采用三级减速来增大车轮扭矩，有效降低阻力波动影响，匀速运动很理想。

（2）匀速、加速、减速、发射均采用全自动电控，把外界对小车的扰动减到最小。

（3）采用透明封闭车厢，有效隔离空气流动对小球运动的影响。

（4）小车平台还能拓展其他惯性演示实验，例如，“急加速物体相对后滑”、“紧急制动物体相对前滑”、“乘客前倾或后倾”等惯性现象。

2.2.2用途

（1）小车静止时弹球具有保持静止的惯性。

（2）小车匀速运动时弹球保持匀速运动的惯性。

（3）小车变速运动时物体具有保持原有速度的惯性。

2.3制作材料

三级减速小车散件1套，改装用PVC管（长约10 cm的7分管1根，长约10 cm的5分管1根），定时器控制模块1个，继电器控制模块2个，5 V小电动机1个、电池4节、8 cm×14 cm三合板1块，橡皮筋、金属球、万能胶若干等。

2.4制作方法

（1）网购减速小车散件，如图4所示。

（2）改装小车。把3级减速小车组装好，运动电机的位置需要改动到顶端，可以用万能胶固定。原先电池盒不用，用另外1个可以放下4节5号电池的塑料盒改装为电池盒兼控制盒。

（3）用8 cm×14 cm三合板，固定在小车上作为汽车底盘。

（4）用PVC管制作发射筒，用木杆制作发射推杆，用电动机转动击发扳机，来控制推杆向上发射小球。具体原理装置如图5所示。

（5）制作控制盒。网购的10 s定时器模块如图6所示，继电器控制模块如图7所示。

利用上述模块，连接成全自动运动控制和发射电路，具体原理如图7所示。

在把上述电路和电池固定在1个塑料盒内，把电源开关和模式开关引出盒外。把控制盒固定在小车上。

2.5使用方法

将钢珠放入发射筒中处于待发射状态，把模式选择开关打到需要演示的模式（匀速、加速、减速3种发射模式），开启电源，把小车放在地面上即可（也可在手中放置6～7 s，再放在讲台上就能在2～3 s内自动演示）。10 s后，小车自动控制运动并同时向上发射小球。通过观察小球的落点，就能清晰观察到小球的惯性现象。具体效果如图8所示。

选择开关打到匀速档时，小车一直匀速运动，10 s后发射器上的电机开始转动，将弹簧释放，钢珠在运动的小车上竖直向上弹起，离开塑料管继续向上运动。由于钢珠具有惯性，它水平运动的速度和小车运动的速度一致，所以钢珠下落后仍会竖直地落在塑料管里。为了减小空气阻力的影响，可以在小车上加一透明玻璃罩。此现象比较有趣，学生也比较感兴趣。因为一般学生认为钢珠弹起后会落在小车后面，从而落在塑料管的后面，当学生看到钢珠仍落在塑料管里时，感到非常惊讶，学习兴趣大涨。

选择开关打到加速档，10 s后发射器上的电机转动，将弹簧释放，钢珠在运动的小车上竖直向上弹起，离开塑料管继续向上运动，由于钢珠具有惯性，它水平运动的速度还和小车原来运动的速度一致，而同时电动机电压自动调到6 V，小车开始加速运动，这样钢珠就落在小车的后面。同样，当选择开关打到减速档时，钢珠会落在小车前面。

几次实验对比，使学生产生了很强的求知欲、好奇心，为惯性的教学做好了必要的铺垫，因此本次实验可以安排在惯性教学的引入部分，也可安排在说明运动的物体具有惯性的教学过程中，也可再安排在教学后的知识应用中，叫学生观看后利用惯性知识进行解释。

本教具与传统的惯性教具相比较，不但克服了影响因素过于复杂的问题，而且能在物体运动的过程中展示物体的惯性，使学生的印象更加深刻，教学效果更好。