關鍵概念
物理學
力
運動
離心力
圓周運動
加速度
介紹
你有沒有想過，當乘坐巨型環形過山車時，是什麼讓你穩坐在座位上？ 令人驚訝的是，不僅僅是安全帶！ 你之所以能穩坐座位，是因為一種叫做向心力的東西。 向心力的作用遠不止讓過山車的環形軌道成為可能——它還能讓衛星保持在軌道上，並讓你在腳踏車轉彎時保持平衡！
在這個活動中，你將使用彈珠和果凍來研究向心力和圓周運動。 彈珠會朝哪個方向運動呢？
背景
艾薩克·牛頓是一位細緻的自然觀察家，他用數學和科學來描述當時尚未被理解的自然現象。 牛頓運動定律至今仍在使用，這些原理幾乎可以在任何移動技術中找到。 牛頓發現，要使物體運動，必須受到一個力的作用，使其朝某個方向運動。 處於運動狀態的物體將繼續運動，直到遇到相反的力。 當你乘坐汽車時，你已經感受過這種現象。 當汽車開始移動時，你會向後搖晃，因為你的身體想要保持靜止狀態。 在你移動之後，如果汽車突然停止，你會向前搖晃，因為你的身體想要保持相同的速度和方向運動。
牛頓意識到，當物體在圓周上運動（或加速）時，物體會向外移動，遠離圓心。 例如，當你在汽車中行駛，汽車轉彎時，你的身體會向轉彎的外側移動，遠離轉彎的方向。 即使你的身體想要遠離轉彎，也能使你沿著圓形路徑運動的力稱為向心力。
材料
• 透明塑膠杯，至少四個
• 剪刀或單孔打孔器
• 防水布膠帶或電工膠帶
• 繩子
• 烹飪鍋
• 量杯
• 爐灶
• 果凍，兩包，每包顏色不同
• 冰箱
• 彈珠，至少三個
• 室外空曠區域
• 手電筒
準備
• 使用剪刀或單孔打孔器在其中一個塑膠杯的頂部邊緣下方約 2.5 釐米（一英寸）處打一個小孔。 在杯子的另一側打第二個孔。
• 在杯子的邊緣，剛好在每個孔的上方，放一小塊防水布膠帶或電工膠帶。 將膠帶摺疊起來，使其位於杯子的外部和內部，但不要堵住孔。 這將有助於防止繩子脫落。
• 將繩子連線到杯子上，將繩子的一端穿過杯子頂部的其中一個孔，另一端穿過另一個孔並繫好。
• 這個杯子將成為你的向心力發生器。 測試以確保繩子牢固地連線到杯子上，方法是抓住繩子並向下拽杯子。
• 請成人幫助你製作果凍。 使用沸水時要小心。 另外，注意不要讓果凍溢位並弄髒任何東西。
步驟
• 按照包裝上的說明，將其中一包果凍溶解在適量的水中，製作果凍。
• 將果凍倒入另外三個塑膠杯中，每個杯子倒半杯滿。
• 將這些杯子放入冰箱冷藏，直到果凍完全凝固，大約兩到三個小時。
• 當果凍凝固後，在每個杯子中，將彈珠放在杯子中央的果凍表面上。 輕輕地將其壓入果凍中，直到彈珠固定並且不會移動。 你認為果凍足夠堅固以支撐彈珠的重量為什麼重要？
• 製作第二批果凍。 你認為第二批果凍應該與第一批顏色不同是為什麼？
• 緩慢而小心地將熱果凍倒入杯子中，覆蓋第一層果凍和彈珠，直到杯子幾乎裝滿，在杯子頂部留出約 2.5 釐米的空間。
• 將杯子放回冰箱，直到混合物完全凝固，大約兩到三個小時。
• 當果凍杯凝固後，將其中一個放入向心力發生器杯（繫有繩子的杯子）中，方法是將裝有果凍的杯子堆疊在向心力發生器杯內。
• 將堆疊好的杯子拿到室外空曠區域。 （如果向心力發生器杯上的繩子意外斷裂，你不會想讓果凍灑得到處都是，地板、牆壁和傢俱上！）
• 抓住繩子，將堆疊好的杯子在你的頭部周圍旋轉 20 圈，每次杯子完成一個完整的圓圈時計數。 如果你在旋轉杯子時鬆手，你認為它們會朝哪個方向飛去？
• 旋轉 20 圈後，停止旋轉並將內杯從外杯中取出。
• 用手電筒照射裝有彈珠的杯子。 你能看到彈珠嗎？ 它在哪裡？ 它移動了嗎？
• 提示：如果你難以找到彈珠，請嘗試從杯子背面朝向你照射手電筒，從背面照亮彈珠。
• 提示：如果彈珠沒有移動，可能是果凍太硬了。 首先嚐試再次旋轉 20 圈——但這次旋轉得更快。 如果彈珠仍然沒有移動，要麼讓杯子在室溫下放置過夜以軟化果凍，要麼重複此活動，這次使用更多的水來製作果凍。
• 一次一個，在向心力發生器杯中旋轉其他果凍杯 20 圈。 你注意到任何運動模式嗎？ 彈珠總是朝相同的方向移動嗎？ 它們是否朝著你認為它們會去的方向移動？ 它們移動了多遠？
• 額外：牛頓的另一條定律指出，物體的運動與其質量之間存在關係。 嘗試使用不同重量的小物體進行類似的活動，看看這是否會對物體由於向心力而產生的運動量產生影響。 不要使用彈珠，嘗試使用鉛墜、豆子、四分之一硬幣、珠子等。 你注意到不同重量或大小的物體之間運動的差異嗎？
• 額外：你的向心力發生器的擺動速度有多快？ 速度和圓周運動之間存在關係嗎？ 嘗試使用節拍器來引導你的旋轉速度，將節拍器設定為快速度和慢速度。 杯子在較快的速度下比在較慢的速度下移動得更不一樣嗎？
· 額外：有很多方法可以研究牛頓運動。 嘗試帶上一些裝有果凍和彈珠的杯子，進行一些現場實驗。 當你帶著它去盪鞦韆、滑梯、旋轉木馬、過山車、汽車、腳踏車或任何其他你想知道的地方時，彈珠會發生什麼？ 觀察與結果
在每個杯子中，彈珠是否從杯子的中央移動到了底部？
當物體在圓周上運動或加速時，物體想要向外移動，遠離圓心。 如果沒有向心力的推動，物體將沿直線運動，飛出並遠離圓心。 例如，如果你在旋轉杯子時鬆開手，它們會沿直線從你身邊飛走。 每個旋轉杯子中的彈珠也想要遠離你，遠離圓心，因此每個彈珠都應該穿過果凍並最終到達杯子的底部。
在這個活動中，作用於系統的向心力由繩子中的張力提供。 這種力使杯子保持在圓形路徑上運動。 這是一種“拉”力，類似於衛星由於地球引力的拉力而保持在軌道上的方式。 “推”向心力作用在彈珠上：這種力由杯子的底部提供，使彈珠保持在圓形路徑上運動，而不是沿直線飛出。 當你乘坐環形過山車的環形軌道和騎腳踏車轉彎時，“推”向心力也會讓你穩坐在座位上。
清理
當你完成實驗後，將果凍扔進垃圾桶，取出你的彈珠！
更多探索
向心力，來自佐治亞州立大學物理與天文學系
牛頓、蘋果和你，來自 Light-Science.com
過山車科學：彈珠、管道和環形軌道，來自科學夥伴
向心力，來自科學夥伴
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