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物体会从低向高运动?

|来源:网友投稿

“锥体上滚”是科技馆中常见的学生比较感兴趣的展品,它的原理是重心的运动。虽然看到的现象好像是锥体在上滚,但是从侧面观察,锥体重心其实是下移的。造成错觉的原因是因为两条支撑杆虽然是向上抬起,但是杆间距离在不断增大,也就是说,杆支撑锥体的位置在向外移动,锥体的重心在锥体的内部整合中心上,具体位置在锥体的中心轴的中间,因此,从表面上看物体是由低向高运动,但这其实是锥体的形状以及导轨高低不等,给人造成了一种视觉错觉,实际上锥体的重心自始至终还是在下降。我们可以动手做个小实验体会一下。

空饮料瓶(1.5升)2个、中号漏斗2个、不锈钢光滑蚊帐撑杆(50cm长)2根、泡沫垫3块、透明胶布(或胶水)、剪刀(图1)。

(1)把2个空饮料瓶含瓶嘴部分(约占整瓶三分之一)用剪刀剪开,并用胶布粘在一起制成锥体,把2个漏斗用胶布粘在一起制成双锥体(图2)。

(2)高度大小合适的泡沫在泡沫的侧端自上而下间隔3厘米(孔离桌面分别约13.20厘米、10.20厘米),各挖两个孔。(图3)

(3)用2根撑杆及泡沫垫构建合适倾角斜坡。

几个角度控制好(关键3个角度:导轨的坡度角α、双轨道的夹角γ,双锥体的锥顶角β,满足tanβ/2tanγ/2tanα锥体会上滚)。本次实验双轨道的夹角γ约41度,斜坡矮侧离桌面高5.10cm,高侧离桌面高13.20cm 时,把漏斗锥体放至轨道顶角稍远点的地方,可观察到漏斗自动沿斜面爬升。

当斜坡矮侧离桌面高5.10cm,高侧离桌面高10.20cm 时,把饮料瓶双锥体放至离轨道顶角稍远点的地方,可观察到饮料瓶锥体自动沿斜面爬升。(图4、图5)

科技馆中老展品“锥体上滚”斜面倾角固定、两轨道间夹角固定,使用者只能动手体验一下,笨重、不易携带,不便于下乡开展科普活动。我从三点进行改进:一是轻快(重量轻)、简易(器材生活中易得),便于拆卸、携带,通过空心不锈钢管实现。二是两轨道间夹角可调,通过两个螺母实现;斜面倾角可调,通过弯钩调整轨道长度实现。三是锥体内重心可见,通过在锥体中央放置小红珠实现。让使用者加深对“锥体上滚”原理的理解及探究控制锥体上滚的三个角度间的关系获得新体验,效果明显。升级展品可用于科技老师便捷携带,演示锥体上滚时原理时使用。(图6)

重力和重心与人类的生活有着密切的联系,早在属于母系社会的西安半坡村遗址中,曾发掘到一种提水壶,这种水壶装水时就会往一边倾斜,装满水后则会自动立起来,非常方便于打水,这是古人智慧的体现。现如今,重心在运动、生活、建筑中等应用很多。

不倒翁是一种古老的中国儿童玩具,最早记载出现于唐代,形状像人,而在造型和重量上制成一经触动就摇摆,然后恢复直立状态。不倒翁的形体结构为空心壳体,重量很轻,下半身是一个实心的半球体,重量较大。利用的就是:上轻下重的物体比较稳定,即重心越低越稳定原理。生活中装载运输时,总是把重的物体放在下面,轻的物体放在上面。物体的重心在支撑面上时物体不会翻,落地式电风扇、话筒架、扎马步等都是这个原理。爬山走下坡是要放低重心,增加身体的稳定性。汽车在设计制造时,通过增加底盘占整个车体重量的比例,降低汽车的重心,可以使汽车在紧急刹车或者转弯时保持平衡状态,不容易侧翻,这些都是利用重心造福我们的生活。

不倒翁手机主要原理是在机身底部有电磁铁,当来电话或闹铃响起时,电磁起作用改变了手机的重心,手机就会像不倒翁一样自动站立起来,提示您接听电话或者查看闹钟,如果将其推倒,各种提示都会停止。这是一款能跳舞、真正好玩的手机,能给操控带来一些新意。

有1300年历史的西安小雁塔,历经几十次地震而不倒,尤其是1556年的一次地震,将其由56米的完整高度降为43米的现存高度,但是其塔身不倾斜,让人惊奇,原因何在?小雁塔塔基四周直径60米左右的地下,由外至塔基中心处的夯土层逐渐加深。中心部位是数层青石,上面用砖砌出塔基,同时地面垒了3米高的台基,其正上方才是塔身。这使得此塔整体上好似不倒翁一般,虽经千年而无大恙。

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