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第5章 力学小实验(2)

实验方法:

只要有一只漏斗、一根橡皮管和一根塑料吸管,就可制作一个神秘的装置。将硬塑料管放在热水里使它变软,将其弯成“?”形。尾部套一段约2厘米长的橡皮管,然后把“?”形管塞入漏斗的直颈里面使漏斗不能直接漏水。漏斗下面放一个空瓶。

现在向漏斗里缓缓加水,那么漏斗永远不会被装满。每当水面升到弯管顶部时,就开始虹吸作用,把漏斗里的水虹吸到瓶里。当水面降到底部时,虹吸作用停止。这个过程周而复始地进行着,大自然中的间歇泉的存在,就是这个道理。

知识延伸:

我们在前文的实验中已经向大家介绍了虹吸现象的形成和原理。大家不妨试着用这个规律来解释身边的一些虹吸现象。

水柱顶球

操作难度:★★

实验方法:

给你一根老师上课用的教鞭,请你用它的一端顶着一个不停旋转的乒乓球,那实在是件很困难的事。如果用一束向上喷射的水流代替教鞭,那可就简单多了。

将一个玻璃眼药水瓶套在一根较长的橡皮管的一头,把橡皮管的另一头直接接到自来水水龙头上。右手握住眼药水瓶底部和橡皮管,保持滴口竖直向上。打开自来水龙头,水流便从滴口向上喷出。左手捏住乒乓球,小心地放到水流的顶部,轻轻松开手指,乒乓球就像被吸住那样停留在水流顶部,上下微微跳动且不停地旋转着。细小的水滴沿着乒乓球旋转的切线方向不断溅出。你仔细观察一下便可发现,乒乓球并没有被顶在水流的最上端,而是在“开花”的顶端稍下些的一侧。

旋动自来水龙头,改变从滴口喷出的水流速度,你可发现:当流速增大时,乒乓球会随着水流的升高而上升;当流速减小时,乒乓球又会随着水流高度的降低而下降。缓慢地平移滴口,乒乓球还会跟着水流移动呢。

还可再做一个表演:“冲不走的乒乓球”。把乒乓球放在水平地面上,右手握着眼药水瓶底部和橡皮管,使滴口竖直向下对着乒乓球。打开自来水龙头,开小一些,让水成一股较细的水柱缓缓流下。也许第一次试验时,由于你的右手抖动,乒乓球一下子被冲走了。

别急,再试一次。左手捏着乒乓球调整它在地面的位置,使它正好对着水柱,这时放开左手,球不但不会被冲走,而且还会在原地旋转。稍微将自来水开大些,乒乓球便被“钉”得更牢了。缓慢地平移滴口,小球便听话地跟着移动。

知识延伸:

没有自来水的地方,可根据虹吸原理,在高处放一大盆水,先在橡皮管内灌满水,然后把不接眼药水瓶的一头浸入水盆内,同样可获得向上喷射的水柱。如果你是冬天做这个实验,不妨用胶布把眼药水瓶和橡皮管固定在桌脚或椅背上,别让水把自己的衣服都淋湿了。

竹筷提米

操作难度:★★

实验方法:

桌上有一只空玻璃杯,一大碗大米和一根“下圆上方”的普通竹筷。要求用这根筷子提起满满一杯大米,你能行吗?也许,你认为这挺简单,把米倒入杯中,把竹筷垫在杯底某一直径位置上,再把筷子水平提起,一杯大米不就被提起来了吗?其实,这一办法说起来简单,真的做起来却是挺困难的。即使提起来了,稍一不留神便会“杯砸米撒”前功尽弃。

有一个既稳妥又方便的方法,你不妨一试。先在杯子里装上半杯米,然后把筷子竖直插在中间(截面呈正方形的一头朝下),用手将杯内的米压紧,再陆续往杯子里加大米,一边加一边压紧,直到杯子里装满大米。要注意的是,在加米和压紧的过程中,应始终保持筷子竖直,切不可让它左右摇动。此时,提起竹筷就可把满满一杯大米拎起来了,提着它走几步,杯子也不会掉下。如果米加满压紧后,再往杯中洒入少许清水,等一会儿再提起竹筷,那就更靠得住了,即使你提着竹筷缓慢地升高、下降,杯子也不会掉下来。

知识延伸:

这是由于米粒被压紧后,米粒与米粒之间,米粒与竹筷,米粒与玻璃杯壁之间的摩擦力很大,足以与整杯米的重量相平衡。洒点水能使米粒发胀,相互间挤压得更紧,摩擦力增大。当然,水不能倒入太多,否则便适得其反了。

自动转轮

操作难度:★★

实验方法:

找一个直径30毫米左右的瓶盖,中心钻一个小孔。用薄铁皮剪一个小叶轮,直径与瓶盖直径一样。在叶轮中心钻一个小孔,并把叶片扭转一定的角度,将火柴棍的两端分别插入瓶盖和叶轮的小孔中。

在玻璃杯中倒入开水,使水齐杯口。把叶轮小心地放入水中,瓶盖浮在水面上。过一会儿,叶轮便带动瓶盖慢慢地旋转起来。

知识延伸:

为什么呢?原来叶轮旋转是水对流造成的。杯口和贴近四壁的水比杯子中心的水凉得快,使周围的水向下流动,中心的热水就向上流动,水的流动推动叶轮旋转起来。小叶轮旋转是由于受到动力的作用,不过它的能量是贮存在热水里的。

自动小船

操作难度:★★

实验方法:

剪几只吹塑纸或硬卡纸的小船,在小船尾部再开出一个小缺口,往小船尾部涂上点圆珠笔油,放到脸盆的清水中,小船会自己往前航行。

小船会往前航行,完全是水的表面张力干的。圆珠笔油会使水的表面张力变小,小船前边的水的表面张力便把小船拉了过去,直至圆珠笔油把水的表面张力全破坏了,小船便会停止不前。

再来做一个实验:

把一小段棉线的两头打结,投到盆中的水面上,棉线一定是个不规则的图形。现在拿一根火柴在肥皂上擦几下,再插进棉线圈中,你发现了什么?

线圈自觉地变成了圆形。

知识延伸:

原来肥皂也会破坏水的表面张力,线圈中的水的表面张力被破坏以后。圈外水的表面张力依然存在,从各个方向拉线圈,直至线圈变圆为止。

水流过手帕

操作难度:★★

实验方法:

本实验需要的材料:水,广口瓶或水杯,橡皮圈,手帕。

把手帕绷紧盖在瓶口上。在水池上面,用一个手帕盖在瓶口或水杯口上,用橡皮圈把它紧紧地固定好。通过手帕给瓶中加水,直到加满为止。在水池上方,小心地把瓶子倒置过来。水不会从瓶中跑出来。

知识延伸:

用小水流向瓶中加水。水之所以能够通过手帕流进瓶中,是因为水流的力量冲破了手帕孔口的表面张力。水之所以流不出来是因为在手帕网孔中的水产生了表面附着,而外面的气压向上以同等的压力顶住了倒置的瓶中的压力。气压向上顶住了手帕,表面附着使水无法出来。

螺旋和杠杆

操作难度:★★

实验方法:

本实验需要的材料有:一张纸,剪子,铅笔,桌子,两块木板(约跟桌子一样高),彩色笔。

把纸剪成一个斜坡,用一个斜面紧密卷成圈,螺丝钉是一个一圈一圈卷起的斜面。当用杠杆时,只需用很小的力就能抬起桌子。

从一张纸上剪出一个直角三角形来做成一个倾斜面。把笔放在纸的三角形短边位置,朝着三角形的顶尖处,把纸卷在铅笔上。用彩笔沿着剪下的斜边标出记号,这样将会形成一个螺旋形支撑。当你在卷纸时,请保留三角形的底线或称基本线。这个倾斜将会沿着铅笔螺旋形上升,形成一个螺丝钉模型。这就说明,螺丝钉事实上是一个倾斜平面。

杠杆是由一个硬棒及这个硬棒的支撑点组成的,这个支撑点叫支点。杠杆得益于从重物点到支点的距离短,而从用力点到支点的距离长。

为了作一个杠杆,把一块木板靠近桌子垂直立起,把另一块木板放在上面。把放在上面的木板的一端放在桌边的下面,按下木板的另一端,这个很重的桌子就很容易被抬起来。

知识延伸:

有很多杠杆原理的例子,如启瓶盖的动作、有轮的手推车、锤子等等。

摩擦力

操作难度:★★

实验方法:

本实验需要的材料有:几个橡皮圈,装有东西的鞋盒,3支铅笔。

当我们开始开动汽车时,为使汽车前进,我们把车挡从低挡换到高挡,高挡用于在高速公路上行驶。这说明,开始移动某物所使用的力气要比保持该物移动所使用的力多。

把橡皮圈套在一起,并把它的一端固定在鞋盒里。把盒子放在一个光滑的地面上或桌面上,拉着橡皮圈的另一端。看一看,在盒子开始移动前,橡皮圈被拉长的距离。然后,再注意一下,保持盒子移动橡皮圈被拉长的距离。

为使盒子移动,橡皮圈被拉长的距离要更长些。这是因为静止摩擦力大于移动摩擦力。现在,在盒子的下面放上3支铅笔,再做一次静止实验。这个实验用更小的力就可使盒子移动。滚动轴承可用于减小摩擦力。

把橡皮圈套在一起。用一根小棍或铅笔把橡皮圈固定在鞋盒里。橡皮圈被拉出的长度证明用了多少的力。铅笔像一个轴承,减小了摩擦力。

知识延伸:

两个互相作用的物体,当它们发生相对运动或有相对运动趋势时,在两物体的接触面之间会产生阻碍它们相对运动的作用力,这个力叫摩擦力。

摆体与势能

操作难度:★★

实验方法:

本实验需要的材料有:绳子(大约80厘米长),重物(例如铝坠),两把椅子,扫帚,一本书。

用扫帚做支持摆动物的材料。把两把椅子背靠背地放置,中间相隔大约90厘米的距离,把扫帚横架在两把椅子背上,使之成为一个支持悬挂物的横杠。

下一步,把绳子的一端紧紧拴在扫帚把的中间部分,使绳子结在横杠的下方。把铝坠拴在绳子的另一端,使铝坠稍稍高出地板,将多余的绳子剪掉。把铝坠拉向一端,并且放开后,这个重物将按照固定的节律来回摆动。重物摆一个来回所花费的时间被称做摆动的周期。

直立一本书,作为起点标志。把一本书直立在地板上,作为重物摆动的一个起点标志,拉过重物,使之靠在书上,然后将其放开,重物将来回摆动。尽管它可以摆到离书很近的地方,但它不会碰到书上。

知识延伸:

当一个重物被拉起到一定的位置的时候,重力作用使这个物体具有势能,当重物被放开后,势能就被转换为动能。这就使重物能够沿弧线摆动。

当摆动到最高点时,重物将在最高点停留瞬间,这时,动能又被完全转化成势能。这种能量的相互转化一直在交替进行着,当摆动物从最高点到最低点时,它的摆动速度从最小变成了最大。如果不存在摩擦力和空气阻力的话,这个摆动现象将永远持续下去。而实际上摆动的铝坠一经从书本上离开就再也不能碰到书本了。

摆动传送能量

操作难度:★★

实验方法:

本实验所需要的材料有:两个铝坠,一根绳子(长约2米),两把椅子,一把扫帚。

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