[发明专利]一种在简谐运动参考系下探究惯性问题的实验方法

说明书

一种在简谐运动参考系下探究惯性问题的实验方法，包括球A、球B、球A1、透明装置、小车和弹簧构成，其特征是：透明装置固定在可以沿水平面自由移动的小车上，所述透明装置带有密封上盖，透明装置为方形容器，其底部与侧壁及密封上盖都是透明有机板材料；在透明装置侧壁中间固定一个与侧壁垂直的直杆，在直杆上分别用柔软细绳系上平均密度小于、等于、大于透明装置中的流体密度的球及可以自动改变平均密度的球，在小车两端的同一水平直线上分别固定两个弹簧，两个弹簧的另一端固定在水平桌面的竖直柱上，使小车处于弹簧系统的自然状态，所述球A、球B和球A1的外壳均为橡胶膜，有利于探究在简谐运动参考系中的惯性及惯性力问题。

技术领域

本专利涉及一种关于演示物体惯性及惯性力的探究装置，属于物理实验仪器领域。

背景技术

惯性力是大学物理课程的重点内容，也是中学物理拓展内容之一，是一个比较难于理解的物理概念，通常教科书以人乘车启动与急刹车为例来向学生介绍惯性的概念，关于惯性的演示实验也比较多，于是学生与老师进一步拓展，在所有的物体都有惯性的背景下开始试验，无一例外的获得成功，可是对于特殊物体，比如氢气球，我们用它替代以往的物体重复以往的实验环境(封闭箱体中悬挂的单摆，箱体加速，单摆与加速方向反相运动)却出现了意外，常常被学生质疑氢气球的惯性在哪里？为什么失去以往看到的惯性现象了，有人说是氢气球所在箱体后方空气被压缩，导致的气球与箱体加速度运动同向，等不恰当的认识。因此有必要从另一角度设计制作课堂课下便于操作的演示惯性现象及非惯性参考系下的惯性力问题的综合实验装置或给出方法，本专利就要解决这一问题。本专利是在国家自然基金项目(项目号：11805107，11405092)、黑龙江省省属高等学校基本业务费科研项目(项目号：135209251)及黑龙江省高等学校教改与应用项目(项目号：SJGY20170385)的支持下完成的。

发明内容

本专利是解决惯性现象及非惯性参考系下的惯性力问题的演示装置，着重解决在周期性加速参考系下的一种惯性力现象的演示装置与实验方法。

本专利技术方案：方案一，一种在简谐运动参考系下探究惯性问题的实验方法，主要包括球A、球B、球A1、透明装置、小车和弹簧构成，其特征是：透明装置固定在可以沿水平面自由移动的小车上，所述透明装置带有密封上盖，透明装置为方形容器，其底部与侧壁及密封上盖都是透明有机板材料；在透明装置侧壁(侧面)中间固定一个与侧壁垂直的直杆，在直杆上分别用柔软细绳系上平均密度ρ₁小于透明装置中的流体密度ρ(如空气或水)的球A(如氢气球或汽油)，平均密度ρ₂大于透明装置中的流体密度ρ的球B，平均密度ρ₃等于透明装置中的流体密度ρ的球A1。在透明装置靠近上下底面的侧壁画上刻度线，在透明装置靠近上下底部侧壁对应球A、球B和球A1的竖直位置分别固定一参考柱(结合在透明装置靠近上下底面侧壁画上的刻度线，确定球A、球B和球A1相对箱体的水平位置变化)。在小车两端的同一水平直线上(与前后车轮平行)分别固定两个弹簧，两个弹簧的另一端固定在水平桌面的竖直柱上(竖直柱固定在水平桌面上)，使小车处于弹簧系统的自然状态(小车水平方向受合力为零)，在水平桌面上画出球A、球B和球A1系在直杆位置处竖直方向对应的标示线(用于观察在参考柱在各自对应标识线的左右位置时球A、球B和球A1所处的状态)，所述球A、球B和球A1的外壳均为橡胶膜(气球)。

在实际操作上，将球A、球B分别充上氢气、二氧化碳气体(或水)，用柔软不可伸缩细绳系在直杆上，球A、球B分别处于竖直悬浮和竖直下坠状态；球A1充一定量空气与氢气，待球A1刚好处于漂浮状态，或者刚好处于要下沉状态，也就是球A1的平均密度与透明装置的空气密度接近，具体做法，可以将自行车气密芯与气球的口相连接固定密封，气密芯的另一端与50毫升一次性注射器的安针头柱相连接，将气球置于透明装置中缓慢充氢气，待气球刚刚要上浮，停止充气，封闭好气密芯，球A1上的气密芯用柔软不可伸缩的细绳系在直杆上，将透明装置的上盖盖好密封；