飞棍链式反应

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核心概念
物理学
能量
势能
能量守恒

引言
如果您喜欢链式反应和壮观景象,这项活动非常适合您!您能想象将不起眼的压舌板(或冰棒棍或工艺棍)编织在一起,会引发棍子在空中飞舞的链式反应吗?尝试一下,亲眼看看吧!

背景
能量永远不会被创造;它总是从一种形式转移到另一种形式。这项活动是这一关键物理原理的绝佳例证!


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如果您拉伸过橡皮筋,您就会感觉到它想要恢复到原来的长度。科学家们说,拉伸的橡皮筋充满了弹性势能。与此类似,当您弯曲木制压舌板棍(如医生诊所使用的那种)时,它也会储存弹性势能(但如果您将其折断则不会)。当您允许它恢复到平坦状态时,它会释放这种能量。

如果弯曲的压舌板棍在坚硬的地板附近伸直,棍子可能会将自己从地板上弹起来并飞到空中。储存在棍子中的弹性势能转化为运动,称为动能。当它向上飞起时,它会获得高于地板的高度,这转化为重力势能,即由于它可以掉落下来而产生的能量。最终,棍子平放在地面上。曾经储存在棍子中的能量最终转化为热量和声音——能量的其他形式。

当一根压舌板棍释放其储存的能量时,不会发生太壮观的事情,但是当一连串的棍子释放它们的能量时会发生什么呢?

材料

  • 至少50根压舌板。如果没有这些,较大、稍有弹性的冰棒棍或宽工艺棍是不错的替代品。

  • 硬地板

  • 四支记号笔:浅蓝色、深蓝色、橙色和红色

  • 公制尺

  • 胶水

  • 笔(可选)

  • 摄像机或可录像设备(可选)

准备工作

  • 将四根压舌板涂成浅蓝色,四根涂成深蓝色,四根涂成橙色,七根涂成红色。

  • 制作一个部件来启动您的棍链,将一根浅蓝色、一根深蓝色和另一根浅蓝色压舌板彼此平行放置。在压舌板之间留出约两厘米的距离。

  • 错开平行的压舌板,使每根压舌板比相邻的压舌板高出两到三厘米。

  • 将一根红色压舌板垂直于所有三根压舌板放置。将其放在三根压舌板的顶部,并进行调整,直到它刚好接触到所有三根压舌板。将其粘到位。

  • 将第二根红色压舌板放在第一根红色压舌板旁边,并将其粘到所有三根错开的压舌板上。让胶水干燥。

  • 将结构翻过来,并粘贴两根红色压舌板,与另一侧的压舌板匹配。现在,三根蓝色错开的压舌板将被夹在红色压舌板之间。让胶水干燥。

  • 伸出最远的浅蓝色压舌板将为“1”(如果您愿意,可以使用笔标记它)。中间的(深蓝色)压舌板将为“2”,伸出最少的(浅蓝色)压舌板将为“3”。

步骤

  • 要启动您的链条,请收集您组装的启动部件(确保胶水已干透)、剩余的几根彩色压舌板和大量未着色的压舌板,并将它们放在您的硬地板上。

  • 将一根橙色压舌板滑入启动部件,使其从压舌板 1(浅蓝色)下方穿过,从压舌板 2(深蓝色)上方穿过,并从压舌板 3(浅蓝色)下方穿过。它应该从压舌板 3 下方稍微伸出。移动它,直到它与启动部件的红色压舌板平行,并在它们之间留出约两厘米的距离。

  • 将一根红色压舌板滑入启动部件,使其从压舌板 1(浅蓝色)上方穿过,从压舌板 2(深蓝色)下方穿过,并从压舌板 2 下方稍微伸出。移动它,直到它与橙色压舌板平行,并在它们之间留出约两厘米的距离。

  • 您应该看到两根平行的压舌板(您刚刚添加的橙色和红色压舌板)伸出。将一根深蓝色压舌板滑到较短的压舌板(橙色压舌板)下方,直到它稍微伸出,并滑到较长的压舌板(红色压舌板)上方,与压舌板 1(浅蓝色)平行。您可能会感觉需要按住压舌板。为什么会这样?

  • 您现在应该看到两根平行的压舌板伸出:一根浅蓝色和一根深蓝色。将一根橙色压舌板滑到较短的压舌板(浅蓝色)下方,直到它稍微伸出,并滑到较长的压舌板(深蓝色)上方,使其与它穿过的棍子成直角。

  • 找到伸出的两根平行压舌板:它们是红色和橙色。将一根浅蓝色压舌板滑到较短的压舌板下方,直到它稍微伸出,并滑到较长的压舌板上方,使其与它穿过的压舌板成直角。您是否注意到所有蓝色压舌板都是平行的,并且所有红色和橙色压舌板都是平行的?

  • 找到伸出的两根平行压舌板:它们将与您添加的最后一根压舌板成直角。将一根压舌板滑到较短的两根压舌板下方,直到它稍微伸出,并滑到较长的压舌板上方,使其与它穿过的压舌板成直角。

  • 多次重复上一步。您是否感觉需要弯曲压舌板?这如何帮助产生能量链式反应?您认为当您不再按住最后几根编织到链条中的压舌板时会发生什么

  • 继续构建,直到您对链条的大小感到满意为止。您可以通过将您正在添加的最后一根压舌板以对角线固定在如果继续延长链条则与其平行的压舌板下方来保持压舌板就位。

  • 当您准备好释放链式反应时,请密切观察,并松开最后一根压舌板。发生了什么?为什么会发生这种情况?您是否注意到反应发生时还有其他形式的能量?

  • 额外内容:构建更长的链条,看看随着链条变长,链式反应会发生怎样的变化。

  • 额外内容:如果您有摄像机(或手机或其他可录像设备),请录制链条释放的视频,最好是慢动作视频。您能从慢动作视频中学到什么?

  • 额外内容:为了迎接挑战,让您的链条弯曲或使其越过障碍物。

  • 额外内容:将地毯上的链式反应与硬地板上的类似链条进行比较。哪一个使棍子跳得最高?为什么会这样?

  • 额外内容:用超大工艺棍和压舌板制作链条。您能解释一下为什么结果不同吗?

观察和结果
您可能看到压舌板棍在您松开最后一根压舌板后立即跳到空中——甚至在您计划松开它们之前就跳起来了。

您可能已经注意到,您必须弯曲压舌板才能使它们装入链条中。每次弯曲,您都会向系统中添加能量。您是否感觉到链条处于张力之下,以及您必须按住最后几根压舌板才能使其保持原位?当您松开它时,所有这些张力都会在链式反应中释放出来。它从您添加的最后一根压舌板变直开始。这释放了链条中的下一根压舌板,依此类推。很快,所有的压舌板棍都飞到空中,释放出储存在它们中的能量——您就会看到棍子在空中飞舞!

如果您组装好链条并将其放置一天左右,您可能会注意到当您释放链条时,您的压舌板没有跳得那么高。随着时间的推移,压舌板在张力下屈服并永久弯曲。部分能量用于弯曲材料(通常是木材)。

如果您尝试在地毯或任何其他柔软的地面上释放链条,您可能还会注意到压舌板没有跳得那么高。压舌板不像在硬地板上那样容易从柔软的地面上弹起,因为较软的地面会吸收它们的部分能量。

也许您注意到将较短或更硬的冰棒棍编织在一起更困难。这些棍子不容易弯曲;相反,它们容易断裂。它们不太适合储存弹性势能。

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本活动由科学伙伴合作推出

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