吉林松花江中學(xué)高二(12)班 朱廣宏
文 吉林市第一中學(xué)高二(4)班 史博文
滾擺又稱麥克斯韋滾擺,是用來演示重力勢能與動能相互轉(zhuǎn)化過程中,機(jī)械能的總量保持不變這一原理的儀器。
當(dāng)滾擺被松開,開始旋轉(zhuǎn)下降,滾擺勢能隨之逐漸減小,而動能(平動動能和轉(zhuǎn)動動能)逐漸增加。當(dāng)懸線完全松開,滾擺不再下降時,轉(zhuǎn)動角速度與下降平動速度達(dá)到最大值,動能最大。由于滾擺仍繼續(xù)旋轉(zhuǎn),它又開始纏繞懸線上升,在這一過程中動能逐漸減小,勢能卻逐漸增加,當(dāng)上升到與原來差不多的高度時,動能為零,勢能最大。
如果沒有任何阻力,滾擺每次上升的高度都相同,說明滾擺的勢能和動能在相互轉(zhuǎn)化過程中,機(jī)械能的總量保持不變。
現(xiàn)有滾擺的結(jié)構(gòu)(如圖1)是由支架、滾擺和兩根弦線組成。它的使用方法是向上轉(zhuǎn)動滾擺,使弦線均勻地繞在木棍上,然后輕輕釋放,滾擺即自由下落,達(dá)到最低處時,滾擺又立即向上滾轉(zhuǎn)。
圖1
在演示過程中,由于滾擺向下運(yùn)動時受到超重作用的影響,弦線極易損壞,為此我們對該裝置進(jìn)行了改進(jìn)。
1.用木板、木方或鐵板、鐵棍做一個帶底座的支架。
2.在支架立柱兩個橫桿上的適當(dāng)位置各鉆兩個等距的小孔。
3.用四根等長的弦線分別穿過左、右橫桿上的小孔,并和滾擺連結(jié)起來(如圖2)。
圖2
4.調(diào)整滾擺兩端弦線的長度,使?jié)L擺軸水平位于兩橫桿的中線位置,靜止時滾擺距離底板要有一定間隙,然后將兩端的弦線分別固定起來。
1.向上轉(zhuǎn)動滾擺,使兩端的弦線均勻地繞在木棍上,這時滾擺正好位于兩端橫桿的中間,使擺輪的轉(zhuǎn)軸處于水平狀態(tài),并和橫桿平行。
2.輕輕釋放滾擺,使其沿兩橫桿的中線位置自由下落,達(dá)到最低處后又立即向上滾轉(zhuǎn)。如此反復(fù),直到最后停止。
當(dāng)系統(tǒng)受到的外力與非保守內(nèi)力做功之和等于零時,系統(tǒng)的機(jī)械能守恒。
本實(shí)驗(yàn)在忽略擺線與擺軸之間摩擦力及空氣阻力的情況下,滿足機(jī)械能守恒的條件。在滾擺上下運(yùn)動過程中,滾擺的重力勢能與轉(zhuǎn)動時的動能相互轉(zhuǎn)換,總機(jī)械能保持不變。
在滾擺向下滾動過程中,重力勢能逐漸減少,轉(zhuǎn)動動能逐漸增加;在滾擺上升過程中,轉(zhuǎn)動動能逐漸減少,重力勢能逐漸增加。滾擺每次上升的高度相同,體現(xiàn)機(jī)械能守恒。
1.繩子一定要對稱繞在滾擺的軸桿上,否則滾擺會因傾斜滾動而失去穩(wěn)定性。
2.繩長不能超過支架高度,否則滾擺下落時會觸及支架底部而影響滾動。
1.制作時創(chuàng)造性地采用了對稱式弦線。
2.由于兩端具有弦線,在超重情況下,通過力的分解作用可避免弦線斷開。
通過對滾擺教具的改進(jìn),我們學(xué)會了分析問題、解決問題的方法,還提高了動手、動腦能力,科技創(chuàng)新能力和查閱資料撰寫科學(xué)論文的能力。
此外,我們還懂得了求真務(wù)實(shí)、執(zhí)著探索、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神,提高了自身的綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力。