小玩童科技小製作——擺的實驗手工科學實驗教程
牛頓擺是一個1960年代發明的桌面演示裝置,五個質量相同的球體由吊繩固定,彼此緊密排列。牛頓擺是由法國物理學家埃德姆•馬略特167年提出的。通過下面的幼兒實驗材料讓我們一起來探究其中的原理吧!
實驗重點:
初步瞭解能量守恆原理
實驗目的:
理解彈性碰撞中的能量守恆定律實驗認知:牛頓擺又名牛頓搖籃,它是由若干個懸掛在框架上的小球組成,小球之間要無縫隙,剛好接觸。由於牛頓搖籃演示的各種碰撞現象,源於牛頓力學的基本原理(動量守恆、動能定理等),又因牛頓搖籃小球碰撞後襬動的樣子很像嬰兒的搖籃在擺動,所以大家把這個實驗道具起了一個有趣的名字叫牛頓搖籃。
五個球,如果拿起左邊一個,擊打後,右邊起來一個,然後進入循環。這好像很容易用彈碰得傳遞來解釋。可是左邊拿起兩個球,爲什麼右邊跟着起來兩個呢?三個球,中間那個會左右兩邊擺來擺去,這是爲什麼呢?
這個問題是這樣考慮的:首先基本假定是發生完全彈性碰撞且碰撞是在一瞬間發生即速度交換是一瞬間完成的,那麼拿起右邊兩球時,設兩球下落到最低點未碰撞時速度均爲v,當靠左的球與中間球碰時,最右的球還具有速度v,它還沒發生碰撞;而此後中間球具有速度 v,而右邊數來第二個球速度降爲零,此時最右邊的球就將速度v傳遞給它,所以這樣一來就是右邊第二球與中間球具備速度v;以此類推,最終造成左邊兩球均彈起的情況。
直觀理解就是速度v在球之間傳來傳去,三個球情況也類似。這一過程的關鍵所在就是碰撞的先後,要認識到之所以有碰撞,就是因爲兩球具備不同的相對速度,那麼一開始不管落下幾個球,最先發生碰撞的必定是最靠近靜止球的那個,碰後它自身成爲靜止,又導致離它最近的下落球與之相碰,最終造成速度傳遞。從而你說的彈起來更高的情況,就要求靠靜止球較遠的球先碰,再傳遞到最靠近靜止球的球上,這是不可能的,因爲較遠的球速度開始都一樣,不可能有碰撞,也就談不上速度傳遞。
實驗步驟:
1.實驗準備:認識實驗器材:多孔杆、立柱、螺絲、球、底座、棉線、軟賽鐵絲、支架
2.把四根立柱分別插在兩塊底座上,把兩根多孔杆用螺絲與四根立柱連接固定。鐵絲支架的用途,是掛五個球時作定爲參照物使用的,先把它插在兩個底座上待用。
3.把棉線分成五等份剪開,然後分別穿過球上的環在棉線的中間打死結。
4.先在一根多孔杆中間的五個孔上,把每個球上的一根線單次穿過小孔後,塞上軟塞固定,不讓棉線鬆掉;同樣把球上棉線的另一個頭,穿過對應的槓上小孔,用軟塞固定;
5.用鐵絲支架作參照物,拉動棉線分別調整五個球的位置,讓它們保持同一個高度和一條直線上纔是到位;最後取下鐵絲支架。
提示:幼兒科學實驗材料開始操作實驗前都要讓五個小球保持靜止狀態。
知識拓展:
在這種擺的經典模型中,位於一端的一個球可以撞擊與其處於一直線上的相鄰的那個球,然而只有位於直線另一端的那個球纔會移動,其他的球都處於靜止。量子牛頓擺中含有上百個原子,而不只是五個球。這些原子不總是相互反彈,它們經常還會互相穿越,但其中的物理本質同經典模型是一樣的。另一個區別在於幾乎所有的原子自一開始就處於振盪狀態,當然經典牛頓擺中也同樣可以做到。
實驗結果:
通過學習知道牛頓擺的原理,掌握本節所學內容。
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