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第6章 力学小实验(3)

这个实验装置很容易在地板上做好。把绳子上的两个圈作为两个摆动点的连接。从中间剪断,先拿其中的一根绳子,并在它的上面拴两个圈状绳套,使两个绳套距绳子两端30厘米。把这根绳子的两端都拴在扫帚把上,使两个绳结相距60厘米左右。把剩下的一根绳再从中间剪断,每根绳上拴一个重物。把每个重物分别拴在前一根绳子的两个绳套上。再把整个装置放在两把背靠背的椅子背上。两把椅背相距90厘米。

当这个装置都放好了以后,用一只手抓住任把重物拴在绳套上。把扫帚把放在椅子上。当一个摆动物开始摆动时,另一个被固定在圆线上。一个绳套处,以使该侧的重物不能运动。同时,使另一侧重物作弧形摆动,摆动幅度约为8~10厘米。这时,把握住绳套的手放开,起初,两边的重物会同时往复摆动,但摆动几次后,其中一个将几乎停止摆动,而另一个在摆动,摆动几次后,摆动的重物会停下,而原来停止的重物开始摆动。这种现象将持续数分钟。

知识延伸:

这是因为能量通过绳子交替传递给两侧的重物。

滚球传递能量

操作难度:★★

实验方法:

本实验需要的材料有:约8个滚球,2~3本书(精装,约2.5厘米厚)。

用书做成一个斜坡。把书靠在墙上,使书背向下,使书的上部形成可以使滚珠滚动的滚槽。

将末尾的书翘起约2.5厘米做成一个斜坡。将各书间连紧。将滚珠并排放在槽中并使它们相互接触。现在把其中一个滚珠拿到用书做成的斜坡上并放手。当这个滚珠碰到那一排滚球时,这一排滚球的头端的一个将滚走。如果从斜坡上滚下两个滚珠,那么前端的两个滚珠滚走,如果是同时滚下3个滚珠,那么前端滚走3个。

为什么会是这样呢?

知识延伸:

滚下斜坡的滚珠的能量通过滚珠排传递到最前面的滚珠,并使其滚动,两个滚珠的能量则传给前面的两个滚珠,并使他们滚动。

滚下一个滚珠并使前面一个滚动。

滚下两个滚珠并使前面两个滚动。

转动的水罐

操作难度:★★

实验方法:

本实验需要的材料有:锤子,钉子,空罐,流动的水,一段绳子。

用锤子和钉子沿着空罐接近底部处锤出4个距离相等的孔。当你从每个钉孔拿出钉子时,每一次都向相同的方向掰一下钉子,使得每个钉孔都朝同一方向。弄弯罐子上边的垂片,使它朝上,并在它的开启处拴一个绳子。现在提起绳子的另一端,把罐移到水池的水龙头下,罐中注满水。现在用绳子提起罐子,当水从罐中的钉孔流出时,它将快速地开始旋转。

知识延伸:

对每一个作用力而言,都会产生一个同等的反作用力。在这个实验中,水从罐中流出时是呈角度流出的,由于罐是被绳子提起来的,因此它运动起来的阻力就很小,水流出的力量就足以使它旋转。

在接近罐子底部锤4个孔。把钉子朝某一方向掰一个角度,以便水流顺着角度喷出。抬高罐上部的垂片可做一个很好的抬升点。当罐被绳子抬起,从孔中流出的水流开始喷出。

砸不碎的酒杯

操作难度:★★★

实验方法:

取一根长1.5米左右,直径约2.5厘米的木杆。在杆子的两个顶端,沿杆的轴线各钉一枚大头针,大头针进入木杆的深度有3~5毫米即可,再用老虎钳截掉大头针的“大头”。然后,把杆搁在分别置于两把椅子上的两只玻璃杯上。杯子只和杆两端的大头针接触。

抡起另一根粗大结实的棍子朝木杆的中央猛劈下去,木杆被劈断了,而玻璃杯却安然无恙。劈得越猛,实验效果越好。

不宜用硬木制成的杆子做这个实验,因为它们很难折断;而用白松或红杉树干做成的杆子是一定可以打断的。为了取得戏剧性的效果,可以用盛有葡萄酒的高脚酒杯来代替玻璃杯。而粗大结实的棍子也可用长1米左右的自来水管或钢杆来代替。因为杆的末端和酒杯最宽部分之间有空隙,所以即使木杆不断,杯口也只需承受使大头针弯曲所需的微小的压力,既不会破碎,也不会翻倒。

知识延伸:

用高速电视摄像机拍摄的画面显示,木杆两端的初始运动几乎总是向上的。当外加的冲击传到杆端时,它们已经跳离了杯口。而且,杆端的这一上升过程与杆子中央部分的形变几乎是同时发生的,没有明显的时间滞后。

木杆受到打击时两端总是跳起来这一事实,启发我们可以不用大头针,把杆直接搁在杯口,从而使这个实验显得更为简单。事实上,这样做有时也能成功,只是失败的风险更大了。它需要表演者有更精确得多的打击技巧。

一是棍子必须严格沿竖直向下方向劈向木杆,否则木杆就会对杯子施加一水平方向的作用力,使一个或两个杯子翻倒。二是打击点必须在杆子正中央,否则,杆受到打击后的几何形状不再对称,其中的一个杯子就有可能因承受过大的压力而破碎。大头针的作用正在于可大大减小上述影响。

如果你想尝试这一实验,开始时仍应谨慎地用一些不易破碎的支撑物,如塑料杯、饮料罐等来代替玻璃杯,直到掌握了足够的打击技巧之后,再换成玻璃杯。

吹不大的气球

操作难度:★★

实验方法:

准备一只气球和一个长颈瓶,将气球塞进瓶内,拉大气球的吹气口,反扣在瓶口上。嘴对瓶口用力吹气,尽管你使出最大的劲,吹得面红耳赤,气球只不过大了一点点,却怎么也鼓不起来。

知识延伸:

原来,瓶子内本来有空气,当把气球的吹气口反扣在瓶口上后,这些空气就被密封在瓶内。当吹气时,瓶内空气的体积被压缩而减小,因此,瓶内的压强增大,所以对气球的压力也增大,当瓶内的压力与吹气球产生的压力相当时,气球就再也吹不大了。

吹不掉的纸

操作难度:★★

实验方法:

找一个缝纫机上用的线轴,裁一张手掌大小的方形硬纸片,中间钉入一枚大头针(或图钉),用手掌托住纸片,使针尖对准线轴的孔。你从线轴的上方使劲往下吹气,同时移开托纸片的手,你会发现纸片不会往下掉而会自由地漂浮。

当你用力吹气时,气流急速地从线轴下端和纸片中间的空隙中通过,空隙间的气压相对小于纸下面的正常气压,纸便被下面的空气托住。

知识延伸:

飞机上天的原理也是如此。机翼设计成上面为拱形,下面为平直,当飞机前进时,机翼上面的气流速度要大于机翼下面的气流速度,飞机便得到了较大的升力。

“烟圈”炮

操作难度:★★

实验方法:

找一张长约250毫米、宽约150毫米的硬纸,卷成一个高约150毫米的圆筒,并用胶水粘好。将圆筒两端用硬纸封好,在一端的中央部位剪出一个直径为10毫米的小圆孔,这样,“烟圈”炮就做好了。在桌上点燃一支蜡烛,在距蜡烛300毫米处架好“烟圈”炮,使炮筒中央的小孔对准烛焰。然后将筒内充满烟雾,你在炮筒底部轻轻弹几下,炮筒射出一串串的烟圈,蜡烛就被烟圈“炮弹”打灭了。

知识延伸:

当你轻轻地弹炮筒底部时,底部的硬纸受到挤压后产生振动,这个振动引起炮筒内的气体产生一股向前的气流。这股气流挟带着烟雾,来到炮筒口部时,由于圆孔周围的纸对这股气流的阻碍,使气流迅速地向圆孔集中,然后沿着圆筒边缘冲出。加上圆孔中心部分气流较急,烟雾相对较稀,所以,一串串翻滚的烟圈就形成了。远处的烛焰不得不向这小小的“龙卷风”低头。其实,炮筒内不充烟同样可以做上述实验,充烟是为了便于观察,同时也增加了趣味性。

能量守恒

操作难度:★★

实验方法:

本实验需要的材料有:用过的线轴,粗绳(约150~180厘米长),重物铝坠。

把绳子的一端穿过重物上的小孔并拴一个结,把绳子的另一端穿过线轴。注意找一个空旷的旁边无人的场地。

把绳子穿过线轴。用一只手抓住没有重物的绳子端,另一手抓住线轴并举过头部。使重物旋转成一个大圈。

努力使重物的旋转保持稳定节律,注意旋转的速度。保持线轴高度并向下拉绳子,重物将向线轴方向靠近同时旋转速度增加。

知识延伸:

这是因为当重物绕大圈旋转时,它保持了一定速度及与之相应沿大圆圈旋转重物的能量,当轨道变小时,重物会试图保持同样的速度和能量。轨道变小后,重物绕行的距离缩小。为了保持同等能量,它将增加单位时间里的转动圈数。

随着半径的减少,物体旋转加快。

自由落体定律

操作难度:★★

实验方法:

本实验需要的材料有:垒球一只(或小橡皮球),高尔夫球一只,同样大小的两张纸,高处的平台(楼上的窗口阳台等)。

垒球和高尔夫球同时落地。

看清下面没有人,同时握住两只球并同时松手,两只球将同时碰到地面,即使高尔夫球要轻一些。重力对各种物体的作用是一样的,无论其形状、大小或重量。

平展的纸受到的空气阻力要大些。

把一张纸揉成小球,并将其与另一张平整的纸一同向下放,纸球的下落要快得多,即便它们的重量是相同的。这是因为空气阻力作用于下落物体。

知识延伸:

把一只球水平抛出去而另一只球同时在同等高度上自由下落,两只球碰到地面的时间是一样的,而水平抛出的球在水平方向上多运动了许多。水平运动改变不了物体下落的速度。水平扔出的球在水平运动的同时也在下落,而且其下落速度与自由落下的物体是一样的。

降落伞

操作难度:★★

实验方法:

本实验需要的材料有:手绢,4根绳子(20~25厘米),重物(中等大小的铝坠等)。

在4个角上拴上绳,在绳上挂个重物。把伞叠起来以减少空气阻力。

把绳子拴在手绢的4个角上。从中心抓起手绢并把4根绳子拉齐,它们应是一样长短。把4根绳端拴在重物上并打个结。把手绢从顶部开始向重物端折叠,并把绳子缠绕在卷好的手绢上,使张开的伞受到较大的空气阻力。

这样手绢就成了一个小包,把这个小包向上空扔去。向上扔的小包到达顶点时开始下落,这时降落伞会打开,物体慢慢落地。

当把小包向上扔去时,空气阻力很小。降落伞打开后,空气阻力猛然间增大,并使下落变慢。

知识延伸:

这个实验说明空气阻力和物体的表面积有关系,物体的表面积越大,它所受到的阻力也就越大。

直升机

操作难度:★★

实验方法:

本实验所需要的材料:纸条(约5厘米宽,10厘米长),胶带,剪刀。

可用纸条做直升机。将纸条纵向对折,在一端折10次以增加重量。用胶带将折叠固定住。在另一端,沿中间折线剪下10厘米左右,并使剪下部分外翻折叠成两个小翅膀。直升机就做成了。

从高处或你的头顶上方放下这个小直升机,该物将不断旋转,并慢慢降落到地面。

知识延伸:

折叠的部分增加了重心,而流过翅膀的空气使之旋转,并使下落速度变慢。直升机也叫“螺旋桨飞机”。直升机降落时会不断旋转。

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