核心概念
物理學
能量
勢能
能量守恆
引言
如果您喜歡鏈式反應和壯觀景象,這項活動非常適合您!您能想象將不起眼的壓舌板(或冰棒棍或工藝棍)編織在一起,會引發棍子在空中飛舞的鏈式反應嗎?嘗試一下,親眼看看吧!
背景
能量永遠不會被創造;它總是從一種形式轉移到另一種形式。這項活動是這一關鍵物理原理的絕佳例證!
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如果您拉伸過橡皮筋,您就會感覺到它想要恢復到原來的長度。科學家們說,拉伸的橡皮筋充滿了彈性勢能。與此類似,當您彎曲木製壓舌板棍(如醫生診所使用的那種)時,它也會儲存彈性勢能(但如果您將其折斷則不會)。當您允許它恢復到平坦狀態時,它會釋放這種能量。
如果彎曲的壓舌板棍在堅硬的地板附近伸直,棍子可能會將自己從地板上彈起來並飛到空中。儲存在棍子中的彈性勢能轉化為運動,稱為動能。當它向上飛起時,它會獲得高於地板的高度,這轉化為重力勢能,即由於它可以掉落下來而產生的能量。最終,棍子平放在地面上。曾經儲存在棍子中的能量最終轉化為熱量和聲音——能量的其他形式。
當一根壓舌板棍釋放其儲存的能量時,不會發生太壯觀的事情,但是當一連串的棍子釋放它們的能量時會發生什麼呢?
材料
至少50根壓舌板。如果沒有這些,較大、稍有彈性的冰棒棍或寬工藝棍是不錯的替代品。
硬地板
四支記號筆:淺藍色、深藍色、橙色和紅色
公制尺
膠水
筆(可選)
攝像機或可錄影裝置(可選)
準備工作
將四根壓舌板塗成淺藍色,四根塗成深藍色,四根塗成橙色,七根塗成紅色。
製作一個部件來啟動您的棍鏈,將一根淺藍色、一根深藍色和另一根淺藍色壓舌板彼此平行放置。在壓舌板之間留出約兩釐米的距離。
錯開平行的壓舌板,使每根壓舌板比相鄰的壓舌板高出兩到三釐米。
將一根紅色壓舌板垂直於所有三根壓舌板放置。將其放在三根壓舌板的頂部,並進行調整,直到它剛好接觸到所有三根壓舌板。將其粘到位。
將第二根紅色壓舌板放在第一根紅色壓舌板旁邊,並將其粘到所有三根錯開的壓舌板上。讓膠水乾燥。
將結構翻過來,並貼上兩根紅色壓舌板,與另一側的壓舌板匹配。現在,三根藍色錯開的壓舌板將被夾在紅色壓舌板之間。讓膠水乾燥。
伸出最遠的淺藍色壓舌板將為“1”(如果您願意,可以使用筆標記它)。中間的(深藍色)壓舌板將為“2”,伸出最少的(淺藍色)壓舌板將為“3”。
步驟
要啟動您的鏈條,請收集您組裝的啟動部件(確保膠水已乾透)、剩餘的幾根彩色壓舌板和大量未著色的壓舌板,並將它們放在您的硬地板上。
將一根橙色壓舌板滑入啟動部件,使其從壓舌板 1(淺藍色)下方穿過,從壓舌板 2(深藍色)上方穿過,並從壓舌板 3(淺藍色)下方穿過。它應該從壓舌板 3 下方稍微伸出。移動它,直到它與啟動部件的紅色壓舌板平行,並在它們之間留出約兩釐米的距離。
將一根紅色壓舌板滑入啟動部件,使其從壓舌板 1(淺藍色)上方穿過,從壓舌板 2(深藍色)下方穿過,並從壓舌板 2 下方稍微伸出。移動它,直到它與橙色壓舌板平行,並在它們之間留出約兩釐米的距離。
您應該看到兩根平行的壓舌板(您剛剛新增的橙色和紅色壓舌板)伸出。將一根深藍色壓舌板滑到較短的壓舌板(橙色壓舌板)下方,直到它稍微伸出,並滑到較長的壓舌板(紅色壓舌板)上方,與壓舌板 1(淺藍色)平行。您可能會感覺需要按住壓舌板。為什麼會這樣?
您現在應該看到兩根平行的壓舌板伸出:一根淺藍色和一根深藍色。將一根橙色壓舌板滑到較短的壓舌板(淺藍色)下方,直到它稍微伸出,並滑到較長的壓舌板(深藍色)上方,使其與它穿過的棍子成直角。
找到伸出的兩根平行壓舌板:它們是紅色和橙色。將一根淺藍色壓舌板滑到較短的壓舌板下方,直到它稍微伸出,並滑到較長的壓舌板上方,使其與它穿過的壓舌板成直角。您是否注意到所有藍色壓舌板都是平行的,並且所有紅色和橙色壓舌板都是平行的?
找到伸出的兩根平行壓舌板:它們將與您新增的最後一根壓舌板成直角。將一根壓舌板滑到較短的兩根壓舌板下方,直到它稍微伸出,並滑到較長的壓舌板上方,使其與它穿過的壓舌板成直角。
多次重複上一步。您是否感覺需要彎曲壓舌板?這如何幫助產生能量鏈式反應?您認為當您不再按住最後幾根編織到鏈條中的壓舌板時會發生什麼?
繼續構建,直到您對鏈條的大小感到滿意為止。您可以透過將您正在新增的最後一根壓舌板以對角線固定在如果繼續延長鏈條則與其平行的壓舌板下方來保持壓舌板就位。
當您準備好釋放鏈式反應時,請密切觀察,並鬆開最後一根壓舌板。發生了什麼?為什麼會發生這種情況?您是否注意到反應發生時還有其他形式的能量?
額外內容:構建更長的鏈條,看看隨著鏈條變長,鏈式反應會發生怎樣的變化。
額外內容:如果您有攝像機(或手機或其他可錄影裝置),請錄製鏈條釋放的影片,最好是慢動作影片。您能從慢動作影片中學到什麼?
額外內容:為了迎接挑戰,讓您的鏈條彎曲或使其越過障礙物。
額外內容:將地毯上的鏈式反應與硬地板上的類似鏈條進行比較。哪一個使棍子跳得最高?為什麼會這樣?
額外內容:用超大工藝棍和壓舌板製作鏈條。您能解釋一下為什麼結果不同嗎?
觀察和結果
您可能看到壓舌板棍在您鬆開最後一根壓舌板後立即跳到空中——甚至在您計劃鬆開它們之前就跳起來了。
您可能已經注意到,您必須彎曲壓舌板才能使它們裝入鏈條中。每次彎曲,您都會向系統中新增能量。您是否感覺到鏈條處於張力之下,以及您必須按住最後幾根壓舌板才能使其保持原位?當您鬆開它時,所有這些張力都會在鏈式反應中釋放出來。它從您新增的最後一根壓舌板變直開始。這釋放了鏈條中的下一根壓舌板,依此類推。很快,所有的壓舌板棍都飛到空中,釋放出儲存在它們中的能量——您就會看到棍子在空中飛舞!
如果您組裝好鏈條並將其放置一天左右,您可能會注意到當您釋放鏈條時,您的壓舌板沒有跳得那麼高。隨著時間的推移,壓舌板在張力下屈服並永久彎曲。部分能量用於彎曲材料(通常是木材)。
如果您嘗試在地毯或任何其他柔軟的地面上釋放鏈條,您可能還會注意到壓舌板沒有跳得那麼高。壓舌板不像在硬地板上那樣容易從柔軟的地面上彈起,因為較軟的地面會吸收它們的部分能量。
也許您注意到將較短或更硬的冰棒棍編織在一起更困難。這些棍子不容易彎曲;相反,它們容易斷裂。它們不太適合儲存彈性勢能。
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