论文部分内容阅读
中图分类号:G4 文献标识码:A 文章编号:(2020)-50-172
在很小的时候,看到商场里摆放的不倒翁我总是会站在前面仔细观察一阵,可能是因为它的造型太可爱了吧,在一次过生日时,我最好的朋友送给我一个不倒翁,这让我爱不释手,甚至想睡觉的时候都抱着不倒翁。可是,在一次写作业时,我不小心把不倒翁撞到了地上,当时很害怕它会摔碎,但是看着它左摇右摆最终恢复了站立的模样,内心十分惊喜,为什么不倒翁不会倒呢?问其他的小伙伴发现他们也不知道不倒翁为什么不倒,在强烈的好奇心的带领下,我开始上网查询与不倒翁有关的秘密,并准备亲自动手制作一个不倒翁。
一、不倒翁中的力学原理
(1)不倒翁的构造
不倒翁的壳体是空的,净重特别轻,下半部分是由半球型体构成,是实心的,重量较大,为中空罩壳,净重很轻;下身是一个实芯的半球型体,净重很大,不倒翁的重心位于半球型体内部,下方的半球型体育支撑面之间存在一个接触点,当半球型体在支撑表面翻转时,接触点的位置不断变化,不倒翁一直利用一个接触点,始终是一个独脚体。
(2)不倒翁的均衡可靠性
在外力的作用下,不倒翁无法维持平衡,但是当外力消失后,不倒翁又可以自主回到平衡的状态,这意味着不到问具备可以抵抗外力维持稳定的能力,而这种能力和不倒翁的受力情况息息相关。
可以把不倒翁的受力情况分为3种情况。首先,均衡受力。将不倒翁放置在桌面上时,受到的外力一共有两个,一个是地球的重力G,还有一个是合外力,也就是桌面给圆球带来的反冲力。按照物理的平衡条件,只要这两个力的大小相等、方向相反、作用在同一条直线上,就可以让不倒翁维持稳定。
其次,歪斜受力。歪斜状态下的不倒翁受到2个外力的影响,一个被称作扰力矩,还有一个被称作抵抗力矩,是不倒翁的重力引起的,之前不倒翁是平稳站立的,但是在外力的作用下,产生了力矩,致使不倒翁歪斜,无法维持原有的平衡。不仅如此,之前重力不会产生力矩,是因為站立状态下的不倒翁,重力功效线以及支撑点位于相同的平行线上,力矩的大小是0,在外力影响下,不倒翁歪斜,半球型体发生翻转,点接触也会随之改变,重力功效线以及支撑点不在相同的平行线上,产生抵抗力矩。随着抵抗力矩的形成与发展,抵抗力矩的方位与干扰力矩的方位正好相反,不倒翁的歪斜角度逐渐加大,重心随着改变,当抵抗力矩和干扰力矩相同时,不倒翁便可以恢复平衡,此时外力干扰的效果随之消失。不难看出,当外力攻击不倒翁之后,毁坏了原本的平衡,但是会形成新的平衡,令不倒翁继续保持平衡,虽然平衡的方式不同,但是平衡的本质没有发生变化。这种被叫做稳定平衡。
最后,在不倒翁倒地时,不管支撑点在哪,它的重心点的支持力始终位于顶端,虽然基座的力臂比较短,但是根据力矩=力*力臂,不倒翁会因为基座一侧的力矩大回到之前的部位。不仅如此,不倒翁的底端是环形结构,滑动的摩擦力比较小,便于不倒翁恢复到原来的位置。
二、物理小制作---不倒翁的制作方法
首先,准备好所学的材料,如鸡蛋、蜡烛、装饰物以及重物等。之后,给鸡蛋开个小口,使用吸管或者是其他的方式将蛋清和蛋黄取出,保留完整的蛋壳,清洗干净后自然晾干后,把重物(比如小铁钉或者是沙子)一点点地放到鸡蛋壳中,之后把蜡烛切成小碎块,倒进鸡蛋壳里,注意不可以装得过多,能够在桌子上站立即可,然后向杯子里倒入热水,把装有蜡烛和重物的蛋壳放在热水里,在观察到蜡烛融化后,摆正蛋壳,直立放置,耐心等蜡烛冷却,把重物固定在蛋壳的底部,然后在蛋壳的外周使用彩色笔和装饰物进行装扮,把小孔封好,这样,一个简易的不倒翁就完成了。
通过亲手制作不倒翁,加深了我对不倒翁原理的认识和理解,知道不倒翁不倒的秘密和它的重有关,因为不倒翁下部分是实心的半球体,重量是壳体的许多倍,所以不倒翁的中心在下半部分,当不倒翁处于竖直状态下,它的重心最低,如果失去平衡,它的重心会有所升高,这种平衡属于稳定平衡,因而不管不倒翁怎样摇摆都不会倒。就像我们在参观科技馆时见到的“锥时,重心体上滚”实验一样,同样是这个道理,因为锥体的形状以及两侧轨道的形状,它的重心始终在下降,但肉眼观察可能是在上升,向上滚的过程不符合现实,只是一种假象,实际上它的重心是下降的,所以重心越低稳定性越强。在日常的生活中我们也常常应用这个原理提高物体的稳定性,也就是增加物理下部分的重量,比方说公交站牌、摇椅、木马、不倒翁沙袋、电话的底座以及话筒架等等,这些都和奇妙的物理知识有关,体现了物理知识在实际生活中的应用。
通过本次的制作活动,不仅让我了解了不倒翁的原理,同时也体会到了动手实践带来的快乐,激发了我对物理知识学习的积极性,在物理实验中掌握更多的物理知识,同时也懂得了在平时的生活中要像不倒翁一样,面对困难坚决不低头,勇于战胜困难。在以后的学习和生活中,我也会坚持实践,通过动手实践探寻更多物理知识规律和趣味现象,理解教材上比较复杂的物理公式、定理、原理,走进奇妙的物理世界,不断丰富自身的知识积累。
在很小的时候,看到商场里摆放的不倒翁我总是会站在前面仔细观察一阵,可能是因为它的造型太可爱了吧,在一次过生日时,我最好的朋友送给我一个不倒翁,这让我爱不释手,甚至想睡觉的时候都抱着不倒翁。可是,在一次写作业时,我不小心把不倒翁撞到了地上,当时很害怕它会摔碎,但是看着它左摇右摆最终恢复了站立的模样,内心十分惊喜,为什么不倒翁不会倒呢?问其他的小伙伴发现他们也不知道不倒翁为什么不倒,在强烈的好奇心的带领下,我开始上网查询与不倒翁有关的秘密,并准备亲自动手制作一个不倒翁。
一、不倒翁中的力学原理
(1)不倒翁的构造
不倒翁的壳体是空的,净重特别轻,下半部分是由半球型体构成,是实心的,重量较大,为中空罩壳,净重很轻;下身是一个实芯的半球型体,净重很大,不倒翁的重心位于半球型体内部,下方的半球型体育支撑面之间存在一个接触点,当半球型体在支撑表面翻转时,接触点的位置不断变化,不倒翁一直利用一个接触点,始终是一个独脚体。
(2)不倒翁的均衡可靠性
在外力的作用下,不倒翁无法维持平衡,但是当外力消失后,不倒翁又可以自主回到平衡的状态,这意味着不到问具备可以抵抗外力维持稳定的能力,而这种能力和不倒翁的受力情况息息相关。
可以把不倒翁的受力情况分为3种情况。首先,均衡受力。将不倒翁放置在桌面上时,受到的外力一共有两个,一个是地球的重力G,还有一个是合外力,也就是桌面给圆球带来的反冲力。按照物理的平衡条件,只要这两个力的大小相等、方向相反、作用在同一条直线上,就可以让不倒翁维持稳定。
其次,歪斜受力。歪斜状态下的不倒翁受到2个外力的影响,一个被称作扰力矩,还有一个被称作抵抗力矩,是不倒翁的重力引起的,之前不倒翁是平稳站立的,但是在外力的作用下,产生了力矩,致使不倒翁歪斜,无法维持原有的平衡。不仅如此,之前重力不会产生力矩,是因為站立状态下的不倒翁,重力功效线以及支撑点位于相同的平行线上,力矩的大小是0,在外力影响下,不倒翁歪斜,半球型体发生翻转,点接触也会随之改变,重力功效线以及支撑点不在相同的平行线上,产生抵抗力矩。随着抵抗力矩的形成与发展,抵抗力矩的方位与干扰力矩的方位正好相反,不倒翁的歪斜角度逐渐加大,重心随着改变,当抵抗力矩和干扰力矩相同时,不倒翁便可以恢复平衡,此时外力干扰的效果随之消失。不难看出,当外力攻击不倒翁之后,毁坏了原本的平衡,但是会形成新的平衡,令不倒翁继续保持平衡,虽然平衡的方式不同,但是平衡的本质没有发生变化。这种被叫做稳定平衡。
最后,在不倒翁倒地时,不管支撑点在哪,它的重心点的支持力始终位于顶端,虽然基座的力臂比较短,但是根据力矩=力*力臂,不倒翁会因为基座一侧的力矩大回到之前的部位。不仅如此,不倒翁的底端是环形结构,滑动的摩擦力比较小,便于不倒翁恢复到原来的位置。
二、物理小制作---不倒翁的制作方法
首先,准备好所学的材料,如鸡蛋、蜡烛、装饰物以及重物等。之后,给鸡蛋开个小口,使用吸管或者是其他的方式将蛋清和蛋黄取出,保留完整的蛋壳,清洗干净后自然晾干后,把重物(比如小铁钉或者是沙子)一点点地放到鸡蛋壳中,之后把蜡烛切成小碎块,倒进鸡蛋壳里,注意不可以装得过多,能够在桌子上站立即可,然后向杯子里倒入热水,把装有蜡烛和重物的蛋壳放在热水里,在观察到蜡烛融化后,摆正蛋壳,直立放置,耐心等蜡烛冷却,把重物固定在蛋壳的底部,然后在蛋壳的外周使用彩色笔和装饰物进行装扮,把小孔封好,这样,一个简易的不倒翁就完成了。
通过亲手制作不倒翁,加深了我对不倒翁原理的认识和理解,知道不倒翁不倒的秘密和它的重有关,因为不倒翁下部分是实心的半球体,重量是壳体的许多倍,所以不倒翁的中心在下半部分,当不倒翁处于竖直状态下,它的重心最低,如果失去平衡,它的重心会有所升高,这种平衡属于稳定平衡,因而不管不倒翁怎样摇摆都不会倒。就像我们在参观科技馆时见到的“锥时,重心体上滚”实验一样,同样是这个道理,因为锥体的形状以及两侧轨道的形状,它的重心始终在下降,但肉眼观察可能是在上升,向上滚的过程不符合现实,只是一种假象,实际上它的重心是下降的,所以重心越低稳定性越强。在日常的生活中我们也常常应用这个原理提高物体的稳定性,也就是增加物理下部分的重量,比方说公交站牌、摇椅、木马、不倒翁沙袋、电话的底座以及话筒架等等,这些都和奇妙的物理知识有关,体现了物理知识在实际生活中的应用。
通过本次的制作活动,不仅让我了解了不倒翁的原理,同时也体会到了动手实践带来的快乐,激发了我对物理知识学习的积极性,在物理实验中掌握更多的物理知识,同时也懂得了在平时的生活中要像不倒翁一样,面对困难坚决不低头,勇于战胜困难。在以后的学习和生活中,我也会坚持实践,通过动手实践探寻更多物理知识规律和趣味现象,理解教材上比较复杂的物理公式、定理、原理,走进奇妙的物理世界,不断丰富自身的知识积累。