王小慶

(深圳市光明區(qū)高級中學(xué)，廣東 深圳 518106)

1 引言

鏈條技術(shù)是最為普通、最為古老且廣為應(yīng)用的技術(shù)之一,很多人認(rèn)為物理學(xué)家已經(jīng)完全掌握了鏈條的所有規(guī)律和性質(zhì),然而事實(shí)并非如此．2014年1月26日,英國BBC廣播公司之前公開了一小段視頻,在很短的時(shí)間內(nèi),視頻的點(diǎn)擊量超過250萬次,很多觀眾觀看了這段視頻后為之震驚,其中不乏物理學(xué)專業(yè)人士．[1]這一段視頻中展示的物理現(xiàn)象,在任何一個(gè)家庭里都可以被輕而易舉地重復(fù)演示.該實(shí)驗(yàn)只需要一條足夠長的珠鏈鏈條,珠鏈材料可以是塑料球、玻璃球或金屬球等.把珠鏈鏈條放置在一個(gè)類似燒杯的容器里面,也可以放在其他容器里面,拉起珠鏈的一端并使之下落,就可以觀察到珠鏈并不只是簡單地由于重力作用滑向地面,而是鏈條會自發(fā)的向上運(yùn)動,就像噴泉噴水那樣,如圖1所示,迅速的“流向”地面．[2]

圖1 斯蒂夫·莫爾德展示珠鏈噴泉實(shí)驗(yàn)

為了消除大家的疑慮,在此表明,這些珠鏈不帶電、無磁性、無外力驅(qū)動,完全是靠自身的規(guī)律在運(yùn)動．那么,這里面究竟隱藏著什么神奇的物理奧秘呢?接下來,就讓我們用已經(jīng)掌握的物理知識揭開神奇的“珠鏈噴泉”之謎,為物理課堂增添一份探究的快樂體會.

2 珠鏈噴泉的奧秘

雖然大家都知道是由于鏈條自身的重力使其向下“流動”,但起初科學(xué)家們并不清楚珠鏈在落下前為什么會先躍起．來自劍橋大學(xué)的著名物理學(xué)家約翰·比金思(John Biggins)和馬克·華納(Mark Warner)2014年在《英國皇家學(xué)會報(bào)告》上發(fā)表了關(guān)于這種珠鏈運(yùn)動現(xiàn)象的研究論文.

通過專業(yè)人員的計(jì)算研究表明,驅(qū)使鏈條向上運(yùn)動的作用力并不是來自于已經(jīng)脫離容器的珠鏈,使珠鏈上升的這股推力來自于還停留在容器內(nèi)的那一部分珠鏈,如圖2所示．“來自容器向上的彈力才是珠鏈噴泉形成的主要原因,這出乎了很多人的意料．”比金思表示.

圖2 約翰·比金思的珠鏈噴泉原理解釋

接下來,從另一個(gè)實(shí)驗(yàn)說明存在如圖2所示的向上的彈力,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖3所示.將珠鏈按如圖平鋪在一個(gè)臺面上,然后將珠鏈的一端拋出,可以看到珠鏈左側(cè)部分開始變得密集,珠鏈向一起靠攏,說明飛起的一端向左產(chǎn)生了一個(gè)反作用力,使得左側(cè)的珠鏈緊緊靠在一起.根據(jù)牛頓第三定律可知,右側(cè)飛出的一端必定受到一個(gè)向右的作用力,即向右的推力.這個(gè)推力使得珠鏈飛的越來越快,并在空中形成類似噴泉的現(xiàn)象．從該實(shí)驗(yàn)中,我們可以清楚的看到珠鏈之間作用力和反作用力的作用機(jī)制,即未運(yùn)動的珠鏈給已經(jīng)運(yùn)動的珠鏈一個(gè)前進(jìn)的動力,這是珠鏈噴泉形成的本質(zhì)原因.

圖3 珠鏈之間的作用力和反作用力

珠鏈噴泉現(xiàn)象的本質(zhì)原因是珠鏈在此過程中可以看作“桿”模型,圓珠連接在一起后,就像一根根連接起來的桿一樣．要揭開珠鏈噴泉之謎,關(guān)鍵在于研究清楚桿的運(yùn)動特點(diǎn)．如圖4所示,一根根桿被水平地放在臺面上,之后由于A桿受到一個(gè)向下的重力作用,使得A桿開始翻轉(zhuǎn).翻轉(zhuǎn)時(shí)在A桿的左端產(chǎn)生一個(gè)向右上方的力,這個(gè)向上的力帶著平鋪在桌面上的第二根桿開始運(yùn)動.由于這個(gè)力是向右上方的,所以接下來的桿會向前和向上運(yùn)動,并且桿的運(yùn)動速度會越來越快,這就是珠鏈噴泉現(xiàn)象形成的本質(zhì)原因.

圖4 珠鏈噴泉中的“桿”模型運(yùn)動原理

3 珠鏈現(xiàn)象的應(yīng)用

物理作為一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科,在課堂教學(xué)中,如果能用有趣的物理實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情,這將會極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性和主動性.神奇的噴泉實(shí)驗(yàn)中暗含的物理原理是牛頓第三定律.在講解牛頓第三定律時(shí),為了增加課堂的趣味性,可以用“珠鏈噴泉”實(shí)驗(yàn)引入課堂,增加實(shí)驗(yàn)探究的廣度與深度.