透明模拟牛顿第一定律方法设计

摘 要：牛顿第一定律描述的状态是一个理想化的物理状态，教师只能借助近似实验和理论抽象帮助学生理解。为此，通过平衡法设计了一个简单、直观的方法模拟牛顿第一定律的物理状态，用低速运动方式定性和定量地表征了牛顿第一定律，并初步提出了透明模拟的实验教学思想。

关键词：牛顿第一定律；匀速直线运动；透明模拟

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）2-0073-3

1 问题的提出

牛顿第一定律是一条理想化的物理定律[1-3]。物体处于静止状态固然随处可见，但要获得理想的匀速直线运动状态不是件容易的事。教学上常常是借助专门的气垫导轨来帮助学生理解，并用光电门来测试，这对实验硬件设备要求高[4]，但滑块的运动只能是理想的匀速直线运动的逼近，并非真正意义上的匀速直线运动，其他的改进设计不少，但都难以跳出近似模拟的局限[5-6]。因此，教师只能凭借理性的思考引导学生展开想象，然后抽象出定律描绘的状态，因而学生在理解和应用上或多或少存在一些认识上的疙瘩。

笔者近期参观了匀速直线运动的实验教学，受到10年前实验经验的启发，巧妙利用平衡条件模拟牛顿第一定律的运动状态，设计以下两种简易方法来模拟（理想）匀速直线运动及其状态的变化。同时，通过简单器材的使用体会低成本实验的设计和基本物理原理的透明模拟――用简单器材设计，在遵循科学原理的基础上采用放大或强化有效实验现象[7]、抑制或排除干扰现象的手段，使物理原理描述的物理状态或物理现象背后的物理本质明白易懂地显露在学生面前。

2 器材及装置

托里拆利管（90 cm长，管上每隔10 cm贴上红色环状标签，也可用透明胶将玻璃管粘在条式木制米尺上以便观察运动距离）或透明塑料管（L=100 cm，Φ=1 cm，管上每隔10 cm贴上红色环状标签）1根、橡胶或干燥芦苇管（长10 mm左右）、彩色橡皮泥（密度1.1～1.2×103 kg・m-3左右）、胶头滴管、秒表（分度值为0.1或0.2 s）或光电门（带计时功能）、木制米尺（约2 cm宽）、美工刀、透明胶、铁架台（带铁夹）、汽油（密度为0.7×103 kg・m-3）和食盐水（密度为1.2×103 kg・m-3），装置如图1所示。

3 理论依据

（1）牛顿第一定律。

（2）液体中的气泡总是趋向压强最小的地方运动，并最终停留在压强最小处。

（3）物体在液体中运动时存在极限速度。

（4）力的平衡。

利用液体内物体运动极限速度的存在这一规律，用平衡的方式达到模拟惯性状态的目的[6]。

4 操作方法

4.1 气泡上浮法模拟匀速直线运动

（1）取托里拆利管一根，用胶头滴管往其内注水，待满时留出1～3 mm左右的空气柱，形成实验用的气泡，如图1（a）和（b）所示。

（2）然后，直接用手指或橡皮泥将管口封住，倒过来将管倾斜（或竖直）。初始时气泡在管内由静止开始加速运动，速度增大到一定量，沿管倾斜方向的浮力分力和阻力相等时，气泡将沿管倾斜方向做匀速直线运动。倾斜角度不一样，气泡运动的速度不一样。倾斜角度越大，气泡的运动速度越大，这样气泡运动的快慢可通过调节倾斜角度控制。我们可以通过小角度倾斜减缓气泡的运动来增强学生的观察效果，气泡到达管顶时将管口再倒过来亦可重复实验。

（3）调整倾斜角度以改气泡的运动速度获得不同速度的平衡状态，可用铁架台作为支架，取气泡运动约5 cm后开始计时，此时气泡处于平衡状态，任选靠近首尾端两等长间隔，用秒表测定气泡经过两间隔的时间，看是否相等。如果用光电门测速度，因气泡透明，必须用密度小于水的不透明材料，如：塑料、橡胶或干燥芦苇管，长10 mm左右，管径略小于玻璃管内径，做成大小不一的柱状或球状浮体取代气泡，可分别观察其运动的快慢，且玻璃管竖直以便光电门测任意时刻的速度。

4.2 橡胶头下沉法模拟匀速直线运动

（1）取彩色橡皮泥小块，将其捏成直径小于托里拆利管内径或透明塑料管的球体，然后将橡皮泥从装满水的竖直管口（只能竖直以免橡皮泥与管壁接触产生摩擦）投入，如图2（a）所示。

（2）初始时橡皮泥在重力作用下由静止开始加速运动，速度增大到一定量，橡皮泥受到的向上的粘滞阻力和浮力与重力平衡，橡皮泥将竖直向下做匀速直线运动。

（3）当橡皮泥到达底部，用橡皮泥封住管口，不能留有气泡，将管口倒过来可重新操作。

（4）取橡皮泥运动约10 cm后开始计时，同样取靠近首尾端两等长间隔，用秒表测定橡皮泥经过两间隔的时间，看是否相等，或者用光电门测速度，这时可测定橡皮泥运动过程任意时刻的速度。

4.3 模拟受力状态改变导致匀速直线运动状态的改变

（1）取汽油和食盐水，首先将管竖直固定在铁架台上，然后用胶头滴管往托里拆利管内装食盐水至20 cm左右，再装汽油至管口70 cm左右。这样汽油和食盐水在管内分为上、下两层，上层为汽油，下层为食盐水，如图2（b）所示。

（2）将彩色橡皮泥小球（ρ=1.1～1.2×103 kg・m-3）自管口投入，由于重力大于浮力，小球初始加速，这一段距离可用彩色纸封住。

（3）达到一定速度后由于增加的阻力和浮力共同作用平衡了重力，由于再无其他新的外力作用，小球以该速度匀速下落，小球通过白纸封住的一段距离后，学生看到的是匀速直线运动。

（4）待小球匀速运动至两液体的分界面后，由于盐水浮力突然增大，相当于提供了一个新的外力，小球运动减慢，前快后慢，新的外力使其运动状态改变，直至最终静止在两液体的分界面上，对比效果明显。

（5）同时，最终分界面上的静止状态，归因于重力与浮力平衡，若没有新的外力作用，静止状态将保持下去。从而体现出牛顿第一定律所描述的物理状态：物体具有保持匀速直线运动状态或静止状态的性质，只要有外力作用，这种状态就会改变；从而说明力是改变物体运动状态的原因，而不是维持物体运动状态的原因。

[注意]

（1）由于开始有一短暂加速的过程，记录时间应避开这一阶段。为便于教学可将管两端10 cm段用彩色纸包住，计时可从气泡或橡皮泥露出彩色纸时开始，这时学生看到的为单一的匀速直线运动。

（2）基于理想的匀速直线运动要求在任意等时间隔内通过的路程相等或任意等长间隔内所用时间相等，实验时可取等长间隔测定时间或等时间隔测定经过的距离分别操作。

（3）为便于测定时间，管子倾斜度宜小，以便气泡或橡皮泥低速运动，且所选用于比较时间的两等距间隔应尽可能拉开距离，以便有足够的时间读数和调整秒表。当然，为了测试方便，本实验最好还是使用光电门测速，这时可测定橡皮泥（球）运动过程任意时刻的速度，便于比较。

5 总 结

1.充分利用简易器材，设计了低成本实验，所用材料几乎全都属于第一手材料。操作方法简单，可任意重复。特别是方法一，可一次性小角度倾斜玻璃管设置长时间的实验观察，获得慢镜头观察效果和最佳实验效果。由于是依靠运动获得的平衡状态，因此能够理想地表现匀速直线运动状态，而不是近似匀速直线运动状态。实验设计通过动态平衡排除了摩擦力的干扰，物体运动状态可控，直观明了，现象模拟透明，分析和认识本质水到渠成，达到透明模拟的效果。

2.通过设计简单实验，学会用动态平衡法模拟牛顿第一定律所描述的惯性状态，这种模拟法在物理学等自然科学研究和工程技术应用中有着广泛的参考价值，它能使抽象的问题具体化并能在人为控制的条件下研究与实际问题相似的实验，如：太空舱内失重状态的模拟、海底工程的模拟、地壳运动的模拟、飞机飞行故障状态的模拟等，教材中用稳恒电流产生的电场模拟静电场和静磁场是典型的应用实例。模拟时只要把握好几何条件、物理条件、边界条件和初始条件等的相似性，其结果大体能反映实际状态[8]。

3.如何提高直线运动的教学效果，教学策略多样[9-10]，各得其所。实验教学方法或仪器研发要力求简单、明白无误地表现物理问题本质，避免干扰因素或现象形成黑箱干扰学生的理解，这对强化物理教学效果无疑具有重要意义。

参考文献：

[1]课程教材研究所.八年级物理下册[M].北京：人民教育出版社，2012：15.

[2]张瑞琨.中学教学全书・物理卷[M].上海：上海教育出版社，1996：122.

[3]万中义.中学数理化公式定理手册[M].成都：四川辞书出版社，1994：285.

[4]段吉x，徐从兰，孟昭敏.物理学演示实验手册[M].济南：山东教育出版社，1987：7.

[5]李元忠.简易匀速直线运动演示器[J].物理教学探讨， 2002，20（3）：38.

[6]郑克东.“直线运动”的教学设计[J].物理教学探讨， 2012， 30（9）：75-79.

[7]张泓筠.以现象为中心设计科学教学实验[J].中学物理， 2005（11）：3-4.

[8]王云才.大学物理实验教程[M].北京：科学出版社，2008：52-53.

[9]孙一鸣. 探析提高“直线运动”教学实效的策略[J]. 物理教学探讨， 2012，30（10）：52-53.

[10]石天刚.力与直线运动[J]. 山西教育，2006（10）：33-39.