关键概念
物理学
重力
势能
动能
摩擦力
能量守恒
引言
过山车需要多少能量才能顺利通过环形轨道而不会卡住？在这个项目中建造你自己的弹珠过山车，找出答案！
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背景
过山车依靠两种类型的能量运行：重力势能和动能。重力势能是物体由于其质量和离地高度而储存的能量。动能是物体由于其质量和速度而拥有的能量。
当过山车到达第一个大坡的顶端时，它具有很大的势能，因为它离地面很高。它非常缓慢地越过山顶，因此几乎没有动能。然后，它从山坡的另一侧下降，并随着高度的迅速降低开始快速行驶。势能转化为动能。当车厢穿过山丘、环形轨道、弯道和转弯时，这个过程会重复进行。每当它向上行驶时，它会随着高度的增加而获得更多的势能，但随着速度减慢而失去动能。能量永远不会被创造或毁灭——它只是从一种形式转化为另一种形式。这个原理被称为能量守恒。
然而，我们从经验中知道，过山车不会永远运行下去。最终，它会因为摩擦力（空气阻力和与轨道的接触的结合）而减速。如果能量既不被创造也不被毁灭，那么这些能量去了哪里？它被转化为热能。这就是为什么你可以摩擦双手来使它们变暖——摩擦力将你移动的手的能量转化为热能！
能量守恒是否限制了过山车的运动？例如，过山车能通过比其初始坡更高的环形轨道吗？尝试这个项目找出答案！
材料
泡沫管保温材料（直径1.5英寸，至少6英尺长——如果您想最终为您的过山车添加更多功能，则需要更长）
至少一个玻璃弹珠（或其他可以轻松滚过泡沫绝缘材料的小而重的球，例如金属滚珠轴承）
美纹纸胶带
美工刀
桌子或椅子
成人帮手
准备工作
请成人使用美工刀将管道保温材料纵向切成两半，形成两个U形通道。
步骤
将一段管道保温材料的一端卷成环状，直径约为1英尺。
使用美纹纸胶带固定环状，并将其粘贴到环状两侧的地板上。确保胶带没有阻挡通道内部（内部有胶带是可以的，只需确保将其压平在泡沫上，并且不会阻挡弹珠）。
将管道保温材料的自由端粘贴到桌子或椅子上，形成一个通向环形轨道的大坡。
将你的弹珠放在离坡底几英寸的位置并释放它。弹珠能通过环形轨道吗？
将你的弹珠向上移动几英寸并再次释放。重复这个过程，直到弹珠完全通过环形轨道。弹珠通过环形轨道所需的起始位置需要多高？是低于、相同高度还是高于环形轨道的顶部？
如果需要使坡度更高，请将两段管道保温材料首尾相连地粘贴在一起，并从更高的高度继续尝试。
你能描述一下在你的弹珠沿着“过山车”轨道运行的过程中，能量是如何变化的吗？
附加内容：为你的过山车添加其他功能，例如扭曲、转弯和螺旋。弹珠需要多高的坡度才能在不停止的情况下通过所有功能？
附加内容：仔细观察你的弹珠并观察其速度。弹珠在哪里速度最快？在哪里速度最慢？
附加内容：在你的过山车末端的环形轨道底部添加一段直轨道。弹珠在摩擦力使其停止之前会滚动多远？
观察与结果
你应该已经发现，弹珠必须从高于环形轨道顶部的位置开始，才能完全通过环形轨道。这是因为当弹珠沿轨道滚动时，总会因摩擦力而损失一些能量。你需要将弹珠从高于环形轨道顶部的位置开始，这样它才有足够的额外能量完全通过环形轨道而不会停止。
如果你仔细观察弹珠，你可能会看到它在进入环形轨道之前，在坡底的速度最快。当弹珠沿坡向下滚动时，其势能转化为动能（其高度降低，但其速度增加）。当弹珠再次向上进入环形轨道时，其高度再次增加，速度降低，将动能转化为势能。如果你在环形轨道底部添加了一段直轨道，你可以观察到弹珠如何由于摩擦力而逐渐滚动停止。
你添加到轨道上的功能越多，弹珠需要更多的初始势能才能在不停止的情况下通过所有这些功能。你可能会注意到，当弹珠快速移动时，管道保温材料会弯曲和弯折——这也会导致弹珠损失一些能量（弯曲保温材料需要能量）。通过将轨道粘贴到支撑物（如盒子或家具）上来使其更坚固，将有助于避免这种能量损失，从而使你的弹珠走得更远。
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