自動(dòng)回轉(zhuǎn)的“魔罐”

齊占波

一、實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)

1. 實(shí)驗(yàn)裝置：如圖1所示。

2. 實(shí)驗(yàn)器材：罐子（金屬或塑料罐），橡皮筋，鉤碼（或小鐵塊），竹簽。

3. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程：（1）在一個(gè)罐子的蓋和底各開(kāi)兩個(gè)小洞，將小鐵塊用細(xì)繩綁在橡皮筋的中部穿入罐中，橡皮筋兩端穿過(guò)蓋和底的小洞并用竹簽固定起來(lái);（2）使小鐵塊懸于罐體內(nèi);（3）將罐子從不太陡的斜面滾下。

4. 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：罐子從不太陡的光滑斜面滾下后，向前繼續(xù)滾動(dòng)一段距離后停下來(lái)，接著會(huì)沿原路往回滾動(dòng)，甚至?xí)L上斜面。

5. 原理分析：罐子從不太陡的光滑斜面滾下的過(guò)程中，在罐子和小鐵塊的共同作用下，橡皮筋會(huì)被卷緊，它的彈性勢(shì)能持續(xù)增加，整個(gè)裝置的運(yùn)動(dòng)速度先增大后減小。當(dāng)整個(gè)裝置靜止時(shí)，橡皮筋的彈性勢(shì)能最大。橡皮筋要恢復(fù)原狀，其彈性勢(shì)能又轉(zhuǎn)化為罐子和小鐵塊的動(dòng)能，所以罐子會(huì)沿原路往回滾動(dòng)，甚至?xí)L上斜面。

二、實(shí)驗(yàn)拓展

彈簧門(mén)（如圖2所示）是裝有彈簧合頁(yè)的門(mén)，開(kāi)啟后會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。這是由于門(mén)被推開(kāi)后，彈簧被卷緊，具有彈性勢(shì)能，放開(kāi)手后彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為門(mén)的動(dòng)能，使門(mén)自動(dòng)關(guān)上。

蹦床表演是運(yùn)動(dòng)員利用蹦床反彈來(lái)表現(xiàn)雜技技巧的運(yùn)動(dòng)，它屬于體操運(yùn)動(dòng)的一種，有“空中芭蕾”之稱。其原理與“魔罐”的自動(dòng)回轉(zhuǎn)類似，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)反彈。

三、典例解析

例1 如圖3所示，在一個(gè)罐子的蓋和底各開(kāi)兩個(gè)小洞，將小鐵塊用細(xì)繩綁在橡皮筋的中部穿入罐中，橡皮筋兩端穿過(guò)小洞用竹簽固定，做好后用力推，使它沿水平地面滾動(dòng)，觀察到的現(xiàn)象是（ ）。

A. 罐子滾動(dòng)不遠(yuǎn)便很快停止運(yùn)動(dòng)

B. 罐子滾動(dòng)比空罐子更長(zhǎng)距離后才停止運(yùn)動(dòng)

C. 罐子滾動(dòng)一段距離后又滾回原處并停止運(yùn)動(dòng)

D. 罐子在水平地面上來(lái)回滾動(dòng)，直到停止運(yùn)動(dòng)

解析：用力推罐子的過(guò)程中對(duì)罐子做功，罐子具有了動(dòng)能。罐子由快到慢運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將自身的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為橡皮筋的彈性勢(shì)能，直至罐子靜止時(shí)罐子的動(dòng)能為零，橡皮筋的彈性勢(shì)能最大。然后，橡皮筋的彈性勢(shì)能又開(kāi)始轉(zhuǎn)化為罐子的動(dòng)能，使罐子往回滾動(dòng)，而且速度越來(lái)越快，當(dāng)橡皮筋的彈性勢(shì)能最小時(shí)，罐子的動(dòng)能最大，速度最快，接著罐子又將自身的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為橡皮筋的彈性勢(shì)能。

如此往復(fù)，使罐子在水平地面上來(lái)回滾動(dòng)。由于在彈性勢(shì)能與動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程中要克服阻力做功，損失一部分能量，導(dǎo)致最后罐子的機(jī)械能全部轉(zhuǎn)化為其他形式的能量而停止運(yùn)動(dòng)。

答案：D

例2 如圖4中所示的蹦床表演，在演員從高處跳下落在蹦床上，又被彈起的過(guò)程中，下列說(shuō)法不正確的是（ ）。

A. 蹦床彈性勢(shì)能最大時(shí)，演員動(dòng)能最小

B. 演員從接觸蹦床到蹦床最大形變的過(guò)程中，受到的合力先減小后增大

C. 演員從高處落下到接觸蹦床之前，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能

D. 演員從接觸蹦床到蹦床最大形變的過(guò)程中，只有動(dòng)能和彈性勢(shì)能的互相轉(zhuǎn)化

解析：當(dāng)演員接觸蹦床到最低時(shí)，彈性勢(shì)能最大，此時(shí)演員處于瞬時(shí)靜止?fàn)顟B(tài)，所以動(dòng)能最小，故A正確;演員從接觸蹦床到蹦床最大形變的過(guò)程中，受的彈力逐漸增大，重力不變，先是彈力小于重力，合力逐漸減小，演員加速向下運(yùn)動(dòng)，然后彈力大于重力，合力逐漸增大，演員減速向下運(yùn)動(dòng)，所以合力先減小后增大，故B正確;演員從高處落下到接觸蹦床之前，高度變小，重力勢(shì)能變小，速度增加，動(dòng)能變大，所以重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，故C正確;因?yàn)檠輪T從接觸蹦床到蹦床最大形變的過(guò)程中，演員的高度仍在變小，重力勢(shì)能變小，所以演員的重力勢(shì)能和動(dòng)能同時(shí)轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能，而不是只有動(dòng)能和彈性勢(shì)能的互相轉(zhuǎn)化，故D錯(cuò)誤。

答案：D