关键概念
物理学
力
运动
离心力
圆周运动
加速度
介绍
你有没有想过，当乘坐巨型环形过山车时，是什么让你稳坐在座位上？ 令人惊讶的是，不仅仅是安全带！ 你之所以能稳坐座位，是因为一种叫做向心力的东西。 向心力的作用远不止让过山车的环形轨道成为可能——它还能让卫星保持在轨道上，并让你在自行车转弯时保持平衡！
在这个活动中，你将使用弹珠和果冻来研究向心力和圆周运动。 弹珠会朝哪个方向运动呢？
背景
艾萨克·牛顿是一位细致的自然观察家，他用数学和科学来描述当时尚未被理解的自然现象。 牛顿运动定律至今仍在使用，这些原理几乎可以在任何移动技术中找到。 牛顿发现，要使物体运动，必须受到一个力的作用，使其朝某个方向运动。 处于运动状态的物体将继续运动，直到遇到相反的力。 当你乘坐汽车时，你已经感受过这种现象。 当汽车开始移动时，你会向后摇晃，因为你的身体想要保持静止状态。 在你移动之后，如果汽车突然停止，你会向前摇晃，因为你的身体想要保持相同的速度和方向运动。
牛顿意识到，当物体在圆周上运动（或加速）时，物体会向外移动，远离圆心。 例如，当你在汽车中行驶，汽车转弯时，你的身体会向转弯的外侧移动，远离转弯的方向。 即使你的身体想要远离转弯，也能使你沿着圆形路径运动的力称为向心力。
材料
• 透明塑料杯，至少四个
• 剪刀或单孔打孔器
• 防水布胶带或电工胶带
• 绳子
• 烹饪锅
• 量杯
• 炉灶
• 果冻，两包，每包颜色不同
• 冰箱
• 弹珠，至少三个
• 室外空旷区域
• 手电筒
准备
• 使用剪刀或单孔打孔器在其中一个塑料杯的顶部边缘下方约 2.5 厘米（一英寸）处打一个小孔。 在杯子的另一侧打第二个孔。
• 在杯子的边缘，刚好在每个孔的上方，放一小块防水布胶带或电工胶带。 将胶带折叠起来，使其位于杯子的外部和内部，但不要堵住孔。 这将有助于防止绳子脱落。
• 将绳子连接到杯子上，将绳子的一端穿过杯子顶部的其中一个孔，另一端穿过另一个孔并系好。
• 这个杯子将成为你的向心力发生器。 测试以确保绳子牢固地连接到杯子上，方法是抓住绳子并向下拽杯子。
• 请成人帮助你制作果冻。 使用沸水时要小心。 另外，注意不要让果冻溢出并弄脏任何东西。
步骤
• 按照包装上的说明，将其中一包果冻溶解在适量的水中，制作果冻。
• 将果冻倒入另外三个塑料杯中，每个杯子倒半杯满。
• 将这些杯子放入冰箱冷藏，直到果冻完全凝固，大约两到三个小时。
• 当果冻凝固后，在每个杯子中，将弹珠放在杯子中央的果冻表面上。 轻轻地将其压入果冻中，直到弹珠固定并且不会移动。 你认为果冻足够坚固以支撑弹珠的重量为什么重要？
• 制作第二批果冻。 你认为第二批果冻应该与第一批颜色不同是为什么？
• 缓慢而小心地将热果冻倒入杯子中，覆盖第一层果冻和弹珠，直到杯子几乎装满，在杯子顶部留出约 2.5 厘米的空间。
• 将杯子放回冰箱，直到混合物完全凝固，大约两到三个小时。
• 当果冻杯凝固后，将其中一个放入向心力发生器杯（系有绳子的杯子）中，方法是将装有果冻的杯子堆叠在向心力发生器杯内。
• 将堆叠好的杯子拿到室外空旷区域。 （如果向心力发生器杯上的绳子意外断裂，你不会想让果冻洒得到处都是，地板、墙壁和家具上！）
• 抓住绳子，将堆叠好的杯子在你的头部周围旋转 20 圈，每次杯子完成一个完整的圆圈时计数。 如果你在旋转杯子时松手，你认为它们会朝哪个方向飞去？
• 旋转 20 圈后，停止旋转并将内杯从外杯中取出。
• 用手电筒照射装有弹珠的杯子。 你能看到弹珠吗？ 它在哪里？ 它移动了吗？
• 提示：如果你难以找到弹珠，请尝试从杯子背面朝向你照射手电筒，从背面照亮弹珠。
• 提示：如果弹珠没有移动，可能是果冻太硬了。 首先尝试再次旋转 20 圈——但这次旋转得更快。 如果弹珠仍然没有移动，要么让杯子在室温下放置过夜以软化果冻，要么重复此活动，这次使用更多的水来制作果冻。
• 一次一个，在向心力发生器杯中旋转其他果冻杯 20 圈。 你注意到任何运动模式吗？ 弹珠总是朝相同的方向移动吗？ 它们是否朝着你认为它们会去的方向移动？ 它们移动了多远？
• 额外：牛顿的另一条定律指出，物体的运动与其质量之间存在关系。 尝试使用不同重量的小物体进行类似的活动，看看这是否会对物体由于向心力而产生的运动量产生影响。 不要使用弹珠，尝试使用铅坠、豆子、四分之一硬币、珠子等。 你注意到不同重量或大小的物体之间运动的差异吗？
• 额外：你的向心力发生器的摆动速度有多快？ 速度和圆周运动之间存在关系吗？ 尝试使用节拍器来引导你的旋转速度，将节拍器设置为快速度和慢速度。 杯子在较快的速度下比在较慢的速度下移动得更不一样吗？
· 额外：有很多方法可以研究牛顿运动。 尝试带上一些装有果冻和弹珠的杯子，进行一些现场实验。 当你带着它去荡秋千、滑梯、旋转木马、过山车、汽车、自行车或任何其他你想知道的地方时，弹珠会发生什么？ 观察与结果
在每个杯子中，弹珠是否从杯子的中央移动到了底部？
当物体在圆周上运动或加速时，物体想要向外移动，远离圆心。 如果没有向心力的推动，物体将沿直线运动，飞出并远离圆心。 例如，如果你在旋转杯子时松开手，它们会沿直线从你身边飞走。 每个旋转杯子中的弹珠也想要远离你，远离圆心，因此每个弹珠都应该穿过果冻并最终到达杯子的底部。
在这个活动中，作用于系统的向心力由绳子中的张力提供。 这种力使杯子保持在圆形路径上运动。 这是一种“拉”力，类似于卫星由于地球引力的拉力而保持在轨道上的方式。 “推”向心力作用在弹珠上：这种力由杯子的底部提供，使弹珠保持在圆形路径上运动，而不是沿直线飞出。 当你乘坐环形过山车的环形轨道和骑自行车转弯时，“推”向心力也会让你稳坐在座位上。
清理
当你完成实验后，将果冻扔进垃圾桶，取出你的弹珠！
更多探索
向心力，来自佐治亚州立大学物理与天文学系
牛顿、苹果和你，来自 Light-Science.com
过山车科学：弹珠、管道和环形轨道，来自科学伙伴
向心力，来自科学伙伴
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