物体的惯性

惯性是物体保持原来的运动状态的一种属性，实验通常是通过物体运动状态的改变来显示物体的惯性的。惯性是一种与物体的运动状态无关的量，应注意纠正速度快惯性大的错误观点。本实验方法一、二、三分别显示了固体、流体、气体的惯性。

方法一

器材 玻璃杯，光滑塑料片，乒乓球，木棒，纸条，小车，金属块， 木板，钩码等。

操作

1. 在普通玻璃杯上，搁一块光滑的塑料片（或木片），塑料片上放一只乒乓球（乒乓球放在杯子的正上方，为防止乒乓球滚动，可在乒乓球下加一个小垫圈）。

2. 用棒对准塑料片沿水平方向用力一击，可以看到塑料片突然飞出，乒乓球却安然地落在玻璃杯中。（图 a）

1. 将盛水的茶杯放在桌上的纸条上。手持纸条的一端慢慢地拉动， 茶杯随纸条移动。如果迅速地将纸条抽走，茶杯安然不动。（图 b）

2. 将金属长方体放在小车上，钩码用细绳通过定滑轮拉着小车作加速运动（加速度应大一些），当小车遇到障碍物突然停止时，金属长方体就越过小车表面向前运动（图 c）。

方法二

器材 瓷碗，小车，细绳等。

操作

将瓷碗内盛满水，放在小车上，突然急速拉动小车。碗内原来静止的水由于惯性，会向小车运动的相反方向泼出（图 a）。

1. 拉着小车在桌面上作匀速运动，小车遇到障碍物而突然停止，碗中原来运动的水由于惯性，会向小车运动的前方泼出（图 b）。

方法三

器材 铁架台，铁杆，细线，自制圆锥形薄纸筒若干个。

操作

1. 将铁杆水平固定在铁架台上，用细线将若干个圆锥形薄纸筒挂在铁杆上，高度相同。

2. 用嘴沿着纸筒排列的方向短促地吹一口气（如图），可看到近处的纸筒立即被吹动，随后远处的纸筒也被吹动。这说明虽已停止吹气， 但被吹动的空气不会立即停止运动，它要依靠惯性继续向前运动。

牛顿第一定律

牛顿第一定律是以伽利略的理想实验为依据的。理想实验是以真实实验为原型的推理思维的结果，是一种研究物理规律的重要思想方法。本实验方法一用粗糙程度不同的表面做实验，推论到无限光滑的平面； 方法二用不同倾角的光滑平面做实验，推论到完全水平的光滑平面。两种方法都用了与伽利略相类似的推理方法。

方法一

器材 投影仪，自制伽利略实验演示仪等。伽利略实验演示仪制作方法

仪器由底盘、斜面导轨和控制器三部分组成[俯视图如图(a)]。底盘是一块 220mm 长、160mm 宽的有机玻璃，四边装有边框，四角装有调整螺丝。斜面导轨由 10mm 宽、150mm 长的三根木条组成，第一根木条上铺上毛巾，第二根木条上铺上粗布，第三根木条和导轨的表面都加工得非常光滑。三根导轨的左端装上等高的斜面，且平行地固定在底盘上。控制器由有机玻璃槽和抽条组成。在三根导轨的左边做一条槽，使有机玻璃抽条能在糟中抽动。制作 10mm 宽、120mm 长的有机玻璃抽条一根，在抽条上粘上三块磁性塑料，间隔距离与斜面导轨相同。把抽条放入槽中， 在抽条上、下的底盘上粘好档板，使抽条能在槽中自由抽动而不脱出。

操作

调整好投影仪的聚焦，把伽利略实验演示仪平放在投影仪上，上端适当地垫高一些如图(b)。

1. 让小铁球被磁性塑料吸住后，拉动抽条把手，三只小铁球同时被释放。可以看到小铁球最后停在三根导轨上不同的位置，在毛巾表面上前进的距离最短，在粗布的表面前进的距离长些，而在光滑的导轨上前进的距离最长。推理可以得出如下结论：如果物体在运动中不受任何力的作用，它的速度将保持不变，永远运动下去。

方法二

原理 将长 L 的气垫导轨的一端垫高 h（如图），如果不考虑阻力的作用，则滑块下滑的加速度 a=g·h/L。逐步减小 h，a 也将逐步变小， 作出 a-h 图，图中得到的是一条直线（因为 a∝h）。如果这条直线经过原点，即可推理得到结论：当 h=0，即滑块所受的合外力为零时，滑块将保持匀速直线运动的状态。

器材 气垫导轨，数字毫秒计。

操作

(1)分两步将气垫导轨调平[详见实验 58 方法二操作(1)、(2)]。(2)在单支脚下垫上高度为 h（例如 6.00cm）的垫块。让滑块从导轨

的单脚端滑向双脚端，毫秒计记下滑块经过两个光电门时的挡光时间 t1 和 t2。如果挡光框两个前沿之间的距离是 d，则可认为滑块经过两个光电门时的即时速度分别是 v1=d/t1 和 v2=d/t2。从标尺上读出两个光电门

之间的距离s，则滑块的加速度a = (v² − v² ) / (2s)。

2 1

1. 垫块的高度 h 不变，改变滑块滑行的初速度或初始位置，再重复测量两次加速度，将三次测量的平均值作为测量值 a。

2. 将垫块的高度 h 减少 0.50cm，重复以上操作(2)和(3)，直至垫块的高度减到 3.00cm 为止。

3. 用线性回归法求出 a-h 直线的截距 b 和截距的误差△b。如果 a- h 直线经过原点（即 b〈△b），则可以认为当 h=0 时，滑块的加速度 a=0， 即滑块作匀速直线运动。

实例 某次实验数据如下：挡光框宽度 d=1.00cm，两个光电门之间的距离 s=75.0cm。

用线性回归法拟合出 a-h 直线，截距 b=-0.00071m/s2 ，△ b=0.0031m/s2，相关系数 r=0.998。因为△b〉丨 b 丨，说明 a-h 直线过原点，因此可以认为当 h=0 时，滑块的加速度 a=0，滑块作匀速直线运动。

注意

(1)、(2)同实验 58 方法二。

(3)垫块的高度 h 不要减少到太小，因为当 h 很小时，空气对滑块的阻力和气垫导轨残存的摩擦力会变得明显起来。

加速度和力的关系

本实验讨论一个物体的质量不变时，它的加速度 a 和它所受的力 F 之间的关系。方法一、二、三只比较了两种情况，优点是可以抵消一部分系统误差。方法四作了更全面的讨论，并且用线性回归法来证实 a 与 F 成正比。

方法一

器材 带有定滑轮的木板，铁架台，小车，滑轮，钩码，大号铁夹， 米尺，细绳，粘泥等。

操作

用 5 个铁架台将两块木板架起，（如图）。由钩码和两个动滑轮组成动力系统，如果不考虑滑轮本身的质量，拉小车 B 的力是拉小车 A 的 2 倍，即 F1：F2=1：2。每辆小车后面拖一根细绳，绕过木板后竖直下垂被一固定在桌面上的大号铁夹夹住。

1. 用粘泥将两辆小车的质量调整得完全一样，用小车后面的细绳将小车拉到木板右端后用铁夹夹紧细绳，使小车静止。

2. 在小车的起始位置做上记号，然后松开铁夹，两小车便由静止开始作匀加速运动。过适当的时候，再夹住铁夹，使小车停止运动。

(4)测量出两小车运动的距离s 和s ，可由s

= 1 a t ²，s

= 1 a t ²两

1 2 1

2 1 1

2 2 2 2

式相除得 s1：s2=a1：a2。如果测得 s1：s2=1：2，可知 a1：a2=F1：F2。(5)改变动滑轮上所挂的钩码的质量，重复以上实验，可以得到相同

的结论：小车的加速度与它所受的力成正比。

注意

1. 要选用轻而且转动灵活、稳定的滑轮。

2. 大号铁夹的弹力要强一些，以免细绳在里面打滑。

方法二

器材 小车，电磁铁，小灯泡，微动开关，砝码盘，细绳，砝码， 米尺，低压电源等。

操作

用木板，小灯泡和微动开关制成两个碰撞指示器（图 a），使小车撞到木板后，小灯泡会发亮。

1. 如图(b)安装好实验装置。在小车上粘贴一块软铁，以使小车能被电磁铁吸住。

1. 将两个砝码盘中都装上 20.0g 砝码，两个碰撞指示器固定在离电磁铁一样远的地方。释放小车，观察两辆小车是否同时到达碰撞指示器。如有先后，可用粘泥调整两个车的质量，直至两个碰撞指示器的小灯同时闪亮为止。

2. 在 a2、b2 两个砝码盘中分别放 20g 和 40g 砝码，将碰撞指示器 b1 固定在靠近定滑轮处，反复调节碰撞指示器的位置，直至控制电磁铁释放两小车后，两灯同时闪亮。

3. 测量出碰撞指示器 a1 离小车前沿的距离 s1，可得 s1：s2=1：2，

即 s1：s2=F1：F2。

改变砝码盘中砝码的质量比，重复以上实验，可得到同样的 s1： s2=F1：F2 的结论。因为小车是从静止开始作匀加速运动的，有

s = 1 at ²，而t = t ，所以，a ：a = s ：s = F ：F ，即小车的质量相

2 1 2 1 2 1 2 1 2

同时，它的加速度和它所受的力成正比。

注意

1. 为了不使学生产生错误的概念，实验中要说明用砝码的重力作为对小车的拉力是近似的。

2. 若没有恰当的电磁铁，可用两根细绳牵住小车，实验时只要同时释放即可。

3. 因为在实验中未考虑小车所受的摩擦力，因此要尽量选用麻擦力小的小车。

方法三

器材 带有滑轮的木板，打点计时器，小车，滑轮，铁架台，细绳， 钩码等。

操作

装置与方法一相似，但在两块木板的后端安装两个打点计时器

（如图）。

1. 将两辆质量调整得完全一样的小车，拉至木板尾端后释放，动力系统拉着两辆小车作匀加速运动，打点器在纸带上打出一列点子。

2. 从两条纸带上测量出两辆小车的加速度（具体方法可参阅实验 54

   方法四）。a1 和 a2，可得 a1：a2=1：2。

3. 观察动力系统，可知

   F1：F2=1：2。所以，a1：a2=F1：F2，即加速度和力成正比。

注意

1. 因小车与纸带都有摩擦，因此动滑轮下挂的钩码应适当地重一些。

2. 如果摩擦力很明显，可以预先将木板的尾端架得略高一些，使小车在不受拉力的情况下能拖着纸带匀速前进。

方法四

原理 本实验用线性回归法来证明两个量成正比。方法如下：

将 x、y 两个变量进行线性回归，求出回归直线的截距 b、截距的误差△b 和相关系数 r。如果 r 达到线性关系显著的标准，即证实 y 与 x 成线性关系；如果同时还有 b〈△b，说明回归直线经过原点，就可证实 y 与 x 成正比。

附：线性关系显著的标准（详见基础篇第 60、61 页）

器材 带滑轮的木板，弹簧秤，小车，打点计时器，滑轮，细绳， 铁架台，钩码等。

操作

如图安装好实验器材，悬挂动滑轮的两根绳子要竖直。在不考虑动滑轮的转动惯量时，弹簧秤的读数就是拉小车所用力的大小。

1. 将小车拉至打点计时器附近，接通打点器电源后释放小车。当小车作匀加速运动时，从弹簧秤上读出拉小车的力 F。

2. 取下小车后面的纸带，从纸带上测量出小车的加速度 a（具体方法可参阅实验 54 方法四）得到一组(F,a)值。

3. 改变挂在动滑轮下的钩码的质量，重复实验操作(2)、(3)，可测得不同的 F 值和 a 值。共测出 6 到 7 组(F,a)值。

4. 用线性回归法证实 a 与 F 成正比。

注意

1. 要选用表面性质比较一致的木板和转动灵活、稳定的滑轮，以便使弹簧秤的读数比较稳定。

2. 如果木板和打点计时器对小车的摩擦比较明显、可在板尾端填上适当高度的小木块，使木板形成一定的倾角。前后移动小木块的位置， 使小车在不受拉力的情况下能拖着纸带匀速滑下。此时可认为小车受的阻力得到了补偿。