[發明專利]一種在簡諧運動參考系下探究慣性問題的實驗方法

有效

• 申請號: 202011177054.7
• 申請日: 2020-10-25
• 公開（公告）號: CN112289144B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 李月秋;任曉輝;梁法庫
• 申請（專利權）人: 齊齊哈爾大學
• 主分類號: G09B23/08
• 分類號: G09B23/08
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司 11385
• 代理人: 朱玲艷

一種在簡諧運動參考系下探究慣性問題的實驗方法，包括球A、球B、球A1、透明裝置、小車和彈簧構成，其特征是：透明裝置固定在可以沿水平面自由移動的小車上，所述透明裝置帶有密封上蓋，透明裝置為方形容器，其底部與側壁及密封上蓋都是透明有機板材料；在透明裝置側壁中間固定一個與側壁垂直的直桿，在直桿上分別用柔軟細繩系上平均密度小于、等于、大于透明裝置中的流體密度的球及可以自動改變平均密度的球，在小車兩端的同一水平直線上分別固定兩個彈簧，兩個彈簧的另一端固定在水平桌面的豎直柱上，使小車處于彈簧系統的自然狀態，所述球A、球B和球A1的外殼均為橡膠膜，有利于探究在簡諧運動參考系中的慣性及慣性力問題。

技術領域

本專利涉及一種關于演示物體慣性及慣性力的探究裝置，屬于物理實驗儀器領域。

背景技術

慣性力是大學物理課程的重點內容，也是中學物理拓展內容之一，是一個比較難于理解的物理概念，通常教科書以人乘車啟動與急剎車為例來向學生介紹慣性的概念，關于慣性的演示實驗也比較多，于是學生與老師進一步拓展，在所有的物體都有慣性的背景下開始試驗，無一例外的獲得成功，可是對于特殊物體，比如氫氣球，我們用它替代以往的物體重復以往的實驗環境(封閉箱體中懸掛的單擺，箱體加速，單擺與加速方向反相運動)卻出現了意外，常常被學生質疑氫氣球的慣性在哪里？為什么失去以往看到的慣性現象了，有人說是氫氣球所在箱體后方空氣被壓縮，導致的氣球與箱體加速度運動同向，等不恰當的認識。因此有必要從另一角度設計制作課堂課下便于操作的演示慣性現象及非慣性參考系下的慣性力問題的綜合實驗裝置或給出方法，本專利就要解決這一問題。本專利是在國家自然基金項目(項目號：11805107，11405092)、黑龍江省省屬高等學校基本業務費科研項目(項目號：135209251)及黑龍江省高等學校教改與應用項目(項目號：SJGY20170385)的支持下完成的。

發明內容

本專利是解決慣性現象及非慣性參考系下的慣性力問題的演示裝置，著重解決在周期性加速參考系下的一種慣性力現象的演示裝置與實驗方法。

本專利技術方案：方案一，一種在簡諧運動參考系下探究慣性問題的實驗方法，主要包括球A、球B、球A1、透明裝置、小車和彈簧構成，其特征是：透明裝置固定在可以沿水平面自由移動的小車上，所述透明裝置帶有密封上蓋，透明裝置為方形容器，其底部與側壁及密封上蓋都是透明有機板材料；在透明裝置側壁(側面)中間固定一個與側壁垂直的直桿，在直桿上分別用柔軟細繩系上平均密度ρ₁小于透明裝置中的流體密度ρ(如空氣或水)的球A(如氫氣球或汽油)，平均密度ρ₂大于透明裝置中的流體密度ρ的球B，平均密度ρ₃等于透明裝置中的流體密度ρ的球A1。在透明裝置靠近上下底面的側壁畫上刻度線，在透明裝置靠近上下底部側壁對應球A、球B和球A1的豎直位置分別固定一參考柱(結合在透明裝置靠近上下底面側壁畫上的刻度線，確定球A、球B和球A1相對箱體的水平位置變化)。在小車兩端的同一水平直線上(與前后車輪平行)分別固定兩個彈簧，兩個彈簧的另一端固定在水平桌面的豎直柱上(豎直柱固定在水平桌面上)，使小車處于彈簧系統的自然狀態(小車水平方向受合力為零)，在水平桌面上畫出球A、球B和球A1系在直桿位置處豎直方向對應的標示線(用于觀察在參考柱在各自對應標識線的左右位置時球A、球B和球A1所處的狀態)，所述球A、球B和球A1的外殼均為橡膠膜(氣球)。

在實際操作上，將球A、球B分別充上氫氣、二氧化碳氣體(或水)，用柔軟不可伸縮細繩系在直桿上，球A、球B分別處于豎直懸浮和豎直下墜狀態；球A1充一定量空氣與氫氣，待球A1剛好處于漂浮狀態，或者剛好處于要下沉狀態，也就是球A1的平均密度與透明裝置的空氣密度接近，具體做法，可以將自行車氣密芯與氣球的口相連接固定密封，氣密芯的另一端與50毫升一次性注射器的安針頭柱相連接，將氣球置于透明裝置中緩慢充氫氣，待氣球剛剛要上浮，停止充氣，封閉好氣密芯，球A1上的氣密芯用柔軟不可伸縮的細繩系在直桿上，將透明裝置的上蓋蓋好密封；