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在一些大型娱乐节目中,经常会看到这样的场景:游戏者闯关时通过快速转动的转盘时总站立不稳,甚至被转盘甩到水里,这是什么原因呢?怎样才能保持较稳定的状态呢?
经过认真思考,我们认为根据高中物理新课标教材必修2所学的圆周运动可以清楚解释上述现象,并能改进条件,使闯关者在转盘中保持稳定。
一、实验器材
水平粗糙的转盘、完全相同的三个小物块(A、B、C)、底部粗糙程度较大(动摩擦因数比A、B、C都大但体积、质量一样)的物块D。
二、实验演示
教师演示水平转盘上不同半径或粗糙程度的物块随转盘转动的情况,学生观察现象。
1.转盘转动的角速度恒定,将物块A分别放在转盘的不同位置。
观察结果:物块相对转盘保持静止存在某个临界半径r临,当物块转动半径r小于r临时,物块能保持相对静止;当物块转动半径r大于r临时,物块不能保持相对静止。
2.将A、B两个小物块放在转盘角速度逐渐增加的转盘上,保持A物块在转盘的内侧, B物块在转盘的外侧。
观察结果:当转盘的角速度逐渐增大时,外侧的物块B先相对于转盘发生转动,A后滑动。
3.将A、D两个小物块置于半径相同、转速增加的转盘上,观察各自滑动的次序。
观察结果:A、D两个物块中总是A物块先相对于转盘发生滑动。
4.将B、C两个物块相叠,与A物块一起放在半径相同的同一转盘上,当转盘转速逐渐增加时,观察现象。
观察结果:B、C物块和A物块一起相对于转盘转动。
三、实验分析
1.实验原理
根据高中物理新课标必修2教材中圆周运动的基本知识可以得出,出现物块相对转盘滑动的主要原因是作圆周运动的物体都受到向心力Fn的影响,而向心力是按作用效果命名的,转盘上物块的向心力来源是受到转盘静摩擦力在径向的分量。
如图,若转盘作匀速圆周运动时,f静充当物块的向心力,当物块相对于转盘刚好发生相对滑动时(达临界),f静达到最大静摩擦力Ff=Fn=m■=4π2n2r。
2.各实验现象分析
实验1中,转速一定的圆盘,半径越大越容易相对于转盘滑动,并且存在临界的转动半径。
实验2中,由于rAr临,A、B两物块同时放在转速一定的转盘上,临界半径以外的物块B先相对于转盘滑动,说明动摩擦因数相同、转速相同、半径越大的物体越容易滑动。即相同质量和摩擦因数的人,越靠近圆心的人越容易保持稳定。
实验3中,A、D两个物块具有相同的半径、相同的转速,但由于D物块的动摩擦因数大于A物块,所以能提供较大的向心力。说明在转盘上若想保持较稳的姿态,可穿底纹清晰的鞋以增加摩擦因数。
实验4中,B、C物块叠放后与A物块具有相同的转动半径,物块C和A具有相同的动摩擦因数,结果发现B、C和A总是一起相对转盘转动,这与多数人认为的胖子比瘦子容易相对于转盘静止的观点不太一致。这是为什么呢?
由公式可知,虽然转动过程中胖子因质量大导致能提供的向心力大,但同时其所需的向心力也大,所以能否相对于转盘滑动与转动物体自身的质量无关。
四、解决方案
1.游戏时,尽量往圆心处站,可以减小同样质量的物体所需的向心力。
2.增大动摩擦因数,提高动摩擦力,可以增加所提供的向心力和向心加速度。
3.降低转速,可以减少物体相对于圆盘转动的向心力和向心加速度。
总之,物理与生活密不可分,在学习了高中物理新课标必修2圆周运动知识后,教师可以指导学生根据所学知识解释转盘中有趣的圆周运动现象,使其掌握运用控制变量法分析问题的严谨思路,同时拓宽了他们的视野,激发了学习兴趣。
经过认真思考,我们认为根据高中物理新课标教材必修2所学的圆周运动可以清楚解释上述现象,并能改进条件,使闯关者在转盘中保持稳定。
一、实验器材
水平粗糙的转盘、完全相同的三个小物块(A、B、C)、底部粗糙程度较大(动摩擦因数比A、B、C都大但体积、质量一样)的物块D。
二、实验演示
教师演示水平转盘上不同半径或粗糙程度的物块随转盘转动的情况,学生观察现象。
1.转盘转动的角速度恒定,将物块A分别放在转盘的不同位置。
观察结果:物块相对转盘保持静止存在某个临界半径r临,当物块转动半径r小于r临时,物块能保持相对静止;当物块转动半径r大于r临时,物块不能保持相对静止。
2.将A、B两个小物块放在转盘角速度逐渐增加的转盘上,保持A物块在转盘的内侧, B物块在转盘的外侧。
观察结果:当转盘的角速度逐渐增大时,外侧的物块B先相对于转盘发生转动,A后滑动。
3.将A、D两个小物块置于半径相同、转速增加的转盘上,观察各自滑动的次序。
观察结果:A、D两个物块中总是A物块先相对于转盘发生滑动。
4.将B、C两个物块相叠,与A物块一起放在半径相同的同一转盘上,当转盘转速逐渐增加时,观察现象。
观察结果:B、C物块和A物块一起相对于转盘转动。
三、实验分析
1.实验原理
根据高中物理新课标必修2教材中圆周运动的基本知识可以得出,出现物块相对转盘滑动的主要原因是作圆周运动的物体都受到向心力Fn的影响,而向心力是按作用效果命名的,转盘上物块的向心力来源是受到转盘静摩擦力在径向的分量。
如图,若转盘作匀速圆周运动时,f静充当物块的向心力,当物块相对于转盘刚好发生相对滑动时(达临界),f静达到最大静摩擦力Ff=Fn=m■=4π2n2r。
2.各实验现象分析
实验1中,转速一定的圆盘,半径越大越容易相对于转盘滑动,并且存在临界的转动半径。
实验2中,由于rA
实验3中,A、D两个物块具有相同的半径、相同的转速,但由于D物块的动摩擦因数大于A物块,所以能提供较大的向心力。说明在转盘上若想保持较稳的姿态,可穿底纹清晰的鞋以增加摩擦因数。
实验4中,B、C物块叠放后与A物块具有相同的转动半径,物块C和A具有相同的动摩擦因数,结果发现B、C和A总是一起相对转盘转动,这与多数人认为的胖子比瘦子容易相对于转盘静止的观点不太一致。这是为什么呢?
由公式可知,虽然转动过程中胖子因质量大导致能提供的向心力大,但同时其所需的向心力也大,所以能否相对于转盘滑动与转动物体自身的质量无关。
四、解决方案
1.游戏时,尽量往圆心处站,可以减小同样质量的物体所需的向心力。
2.增大动摩擦因数,提高动摩擦力,可以增加所提供的向心力和向心加速度。
3.降低转速,可以减少物体相对于圆盘转动的向心力和向心加速度。
总之,物理与生活密不可分,在学习了高中物理新课标必修2圆周运动知识后,教师可以指导学生根据所学知识解释转盘中有趣的圆周运动现象,使其掌握运用控制变量法分析问题的严谨思路,同时拓宽了他们的视野,激发了学习兴趣。