演示慣性定律的簡單裝置——氣墊飛碟
製造這個裝置所需器材有線軸、舊唱片和氣球。
其方法是:用少許萬能膠將線軸的一端A粘在唱片的中心,如圖1所示。注意細線軸的小孔要與唱片的小孔對齊。當萬能膠幹後,將氣球套入線軸的另一端B,這個裝置的製作就完成了。
實驗時,對著唱片的小孔吹氣,當氣球充氣後,用手捏著球頸,然後將唱片放在平滑的桌麵上,再輕輕地推一下,唱片就在桌麵上做勻速直線運動了。
這裏,使唱片做勻速直線運動的原因:從氣球中放出的空氣在唱片和桌麵之間形成了一層薄薄的氣墊,起到了氣墊桌的作用,大大減小了唱片與桌麵間的摩擦力。
雞蛋與慣性的演示實驗
在教學中,有人經常用這樣的實驗來演示物體“慣性的表現”急速用力抽出墊在雞蛋下的硬紙片,雞蛋並沒有被紙片帶走,而是安然無恙地落入杯內水中(圖2),試圖說明原先靜止的雞蛋具有繼續保持(水平方向)靜止慣性,所以未被紙片帶走。但有人認為,“雞蛋沒有被紙帶走”表現不出雞蛋的慣性。
在上述實驗中,當用水平力急速地抽出墊在雞蛋下的硬紙片時,粗略地看來,雞蛋在水平方向上似乎沒有移動,似乎可以說明原先靜止的雞蛋由於慣性,在水平方向上繼續保持靜止;雞蛋的這種繼續靜止表現了雞蛋的慣性。但是,隻要對雞蛋作一受力分析,就會發現:要從這個實驗得出上述結論是有問題的。
首先,當紙片抽出時,即使不計空氣阻力,雞蛋在水平方向上必然要同時受到雞蛋與紙片之間的摩擦力f的作用,雞蛋在這個力的作用下,必然要改變其原先的靜止狀態而產生運動,從而在水平方向上移動一段水平距離S1。設雞蛋的質量為m,與紙片相接觸的時間為Δt,與紙片脫離接觸時的水平速度為V→,由動量定理:fΔt=mV,得:V=fΔtm在Δt時間內,取雞蛋的平均速度V=V2=fΔt2m則在這一時間內,雞蛋所移動的水平距離應為:
St=VΔt=fΔt2mΔt=f2mΔt2(1)此後,雞蛋又以初速度V→,在重力的作用下作平拋運動,又要繼續向前移動一段水平距離S2,這樣,雞蛋在入水之前所移動的水平距離實為:
S=S1+S2而不是零。這一事實亦可由同類實驗得以驗證(例如用置於桌子邊緣上的小鋼珠來代替雞蛋)。
如果f純屬滑動摩擦力,雞蛋與紙片的滑動摩擦係數為μ,則據f=μmg可得:
S1=μmg2mΔt2=μ2gΔt2(2)可見,雞蛋在Δt內所移動的水平距離恰恰與雞蛋的慣性大小無關。
另外,雞蛋在水平力f的作用下,還要同時發生轉動。無論是處於穩定平衡狀態中的雞蛋,還是處於平衡狀態中的鋼球,這一轉動都是在所難免的。設若用一個一端稍稍削平並直立於硬紙片上的木質橢球來代替雞蛋,如圖3所示,那麼這個實驗的結果就會與預期的實驗目的截然相反了。
既然原先靜止的雞蛋事實上並未保持靜止,而且雞蛋的運動狀態的改變又與其慣性無關,那麼要從這個實驗來看出物體的“慣性表現”,實在是不可能的。如果僅僅因為力f的作用時間Δt極小,因而雞蛋的水平移動距離也極小,就可以認為雞蛋繼續保持(水平方向上的)靜止,從而得出“慣性表現”的結論,那麼,實驗所依據的原理有多大的科學性呢?慣性原理應作如何理解呢?這種實驗本身的價值究竟有多大呢?所有這些問題,都是實驗的設計者所應嚴肅考慮的問題。