模拟萨尔维阿蒂大船的惯性实验装置一个惯性演

一、常规实验教具的不足

惯性是一切物体固有的属性。通常，中学物理实验室配备的演示惯性的实验无外乎以下这些实验。如图1、图2所示。

图1 惯性小实验a

图2 惯性小实验b

这些演示实验有一个共同的特点：研究对象都处于静止状态。

牛顿第一定律即惯性定律，是这样描述的：一切物体在没有受到外力作用的时候，总保持匀速直线运动状态或静止状态。惯性是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。既然如此，我就思考，能否自制一个演示实验装置，用于说明处于运动状态的物体也具有惯性。在该演示实验装置中，研究对象为一个运动的物体。

二、自制教具的设计和制作

在物理学史上，关于物体具有惯性最早的论述是1632年，伽利略出版的名著《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》中记录的。书中那位地动派的“萨尔维阿蒂”设想了一条船舱四周封闭的大船，船上的人做任何实验也无法确认船是静止还是匀速运动的。

受到“萨尔维阿蒂大船”的启发，我设计了一款演示运动物体也具有惯性的实验装置。其原理图如图3所示，实物图如图4所示。

图3 装置原理图

图4 装置实物图

实验原理及步骤：

（1）不可伸长的细绳l被拉紧拴在螺钉上，从而使得弹簧处于压缩状态；

（2）电动机以100 r/min的转速转动，通过不可伸长的细绳l拉着小车在水平面上做匀速直线运动；

（3）小车运动中，用火柴烧断细绳l，原本被压缩的弹簧将恢复形变，把小球A向上弹入空中，观察小球A的运动情况。

三、教具演示效果以及实验改进

实验现象：

小球A被弹入空中后，又再次落入小车中的透明圆筒内。

实验过程如图5～图8所示：

图5 小车匀速前进

图6 小球被弹入空中

图7 小球下落

图8 小球落回透明圆筒内

实验结论：

说明小球A在空中运动的这段时间内，其水平方向上的速度与小车保持一致。很显然，在本实验中，小球A只受竖直方向的重力作用，空气阻力忽略不计。由于水平方向上没有任何外力作用，所以小球A一直都保持着离开小车前所具有的水平速度，从而使得小球A时刻都位于透明圆筒的正上方。

本实验还可以用于研究斜抛运动的分解，同时还需要做一些改进：

1.在实验背景上做一个坐标网格。利用频闪照相机记录小球和小车在各个时刻的位置，可以通过坐标网格读出坐标，研究其分运动性质。

2.小球的释放装置可以改进为电磁控制。原实验是通过烧断细绳来完成小球的释放，这样制约了小车速度的增加。如果可以通过无线电控制电磁开关释放小球，实验的可操作性更好。

综上所述，本实验装置是模拟“萨尔维阿蒂大船”，在运动中体现物体的惯性，更加充分地向学生说明惯性是一切物体所固有的一种属性，而与物体所处的运动状态无关。通过该演示实验的观察和分析，相信学生可以很容易理解生活中的一些利用惯性的实例，比如，跳远运动员助跑后，飞身一跃，靠自身惯性在空中继续前进等事例。

［1］人教社物理教材编写组.普通高中课程标准实验教科书·物理（必修1）［M］.北京：人民教育出版社，2010.

［2］郭奕玲，沈慧君.物理学史［M］.北京：清华大学出版社，2005.

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