论文部分内容阅读
中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：（2020）-50-172
在很小的时候，看到商场里摆放的不倒翁我总是会站在前面仔细观察一阵，可能是因为它的造型太可爱了吧，在一次过生日时，我最好的朋友送给我一个不倒翁，这让我爱不释手，甚至想睡觉的时候都抱着不倒翁。可是，在一次写作业时，我不小心把不倒翁撞到了地上，当时很害怕它会摔碎，但是看着它左摇右摆最终恢复了站立的模样，内心十分惊喜，为什么不倒翁不会倒呢？问其他的小伙伴发现他们也不知道不倒翁为什么不倒，在强烈的好奇心的带领下，我开始上网查询与不倒翁有关的秘密，并准备亲自动手制作一个不倒翁。
一、不倒翁中的力学原理
（1）不倒翁的构造
不倒翁的壳体是空的，净重特别轻，下半部分是由半球型体构成，是实心的，重量较大，为中空罩壳，净重很轻;下身是一个实芯的半球型体，净重很大，不倒翁的重心位于半球型体内部，下方的半球型体育支撑面之间存在一个接触点，当半球型体在支撑表面翻转时，接触点的位置不断变化，不倒翁一直利用一个接触点，始终是一个独脚体。
（2）不倒翁的均衡可靠性
在外力的作用下，不倒翁无法维持平衡，但是当外力消失后，不倒翁又可以自主回到平衡的状态，这意味着不到问具备可以抵抗外力维持稳定的能力，而这种能力和不倒翁的受力情况息息相关。
可以把不倒翁的受力情况分为3种情况。首先，均衡受力。将不倒翁放置在桌面上时，受到的外力一共有两个，一个是地球的重力G，还有一个是合外力，也就是桌面给圆球带来的反冲力。按照物理的平衡条件，只要这两个力的大小相等、方向相反、作用在同一条直线上，就可以让不倒翁维持稳定。
其次，歪斜受力。歪斜状态下的不倒翁受到2个外力的影响，一个被称作扰力矩，还有一个被称作抵抗力矩，是不倒翁的重力引起的，之前不倒翁是平稳站立的，但是在外力的作用下，产生了力矩，致使不倒翁歪斜，无法维持原有的平衡。不仅如此，之前重力不会产生力矩，是因為站立状态下的不倒翁，重力功效线以及支撑点位于相同的平行线上，力矩的大小是0，在外力影响下，不倒翁歪斜，半球型体发生翻转，点接触也会随之改变，重力功效线以及支撑点不在相同的平行线上，产生抵抗力矩。随着抵抗力矩的形成与发展，抵抗力矩的方位与干扰力矩的方位正好相反，不倒翁的歪斜角度逐渐加大，重心随着改变，当抵抗力矩和干扰力矩相同时，不倒翁便可以恢复平衡，此时外力干扰的效果随之消失。不难看出，当外力攻击不倒翁之后，毁坏了原本的平衡，但是会形成新的平衡，令不倒翁继续保持平衡，虽然平衡的方式不同，但是平衡的本质没有发生变化。这种被叫做稳定平衡。
最后，在不倒翁倒地时，不管支撑点在哪，它的重心点的支持力始终位于顶端，虽然基座的力臂比较短，但是根据力矩=力*力臂，不倒翁会因为基座一侧的力矩大回到之前的部位。不仅如此，不倒翁的底端是环形结构，滑动的摩擦力比较小，便于不倒翁恢复到原来的位置。
二、物理小制作---不倒翁的制作方法
首先，准备好所学的材料，如鸡蛋、蜡烛、装饰物以及重物等。之后，给鸡蛋开个小口，使用吸管或者是其他的方式将蛋清和蛋黄取出，保留完整的蛋壳，清洗干净后自然晾干后，把重物（比如小铁钉或者是沙子）一点点地放到鸡蛋壳中，之后把蜡烛切成小碎块，倒进鸡蛋壳里，注意不可以装得过多，能够在桌子上站立即可，然后向杯子里倒入热水，把装有蜡烛和重物的蛋壳放在热水里，在观察到蜡烛融化后，摆正蛋壳，直立放置，耐心等蜡烛冷却，把重物固定在蛋壳的底部，然后在蛋壳的外周使用彩色笔和装饰物进行装扮，把小孔封好，这样，一个简易的不倒翁就完成了。
通过亲手制作不倒翁，加深了我对不倒翁原理的认识和理解，知道不倒翁不倒的秘密和它的重有关，因为不倒翁下部分是实心的半球体，重量是壳体的许多倍，所以不倒翁的中心在下半部分，当不倒翁处于竖直状态下，它的重心最低，如果失去平衡，它的重心会有所升高，这种平衡属于稳定平衡，因而不管不倒翁怎样摇摆都不会倒。就像我们在参观科技馆时见到的“锥时，重心体上滚”实验一样，同样是这个道理，因为锥体的形状以及两侧轨道的形状，它的重心始终在下降，但肉眼观察可能是在上升，向上滚的过程不符合现实，只是一种假象，实际上它的重心是下降的，所以重心越低稳定性越强。在日常的生活中我们也常常应用这个原理提高物体的稳定性，也就是增加物理下部分的重量，比方说公交站牌、摇椅、木马、不倒翁沙袋、电话的底座以及话筒架等等，这些都和奇妙的物理知识有关，体现了物理知识在实际生活中的应用。
通过本次的制作活动，不仅让我了解了不倒翁的原理，同时也体会到了动手实践带来的快乐，激发了我对物理知识学习的积极性，在物理实验中掌握更多的物理知识，同时也懂得了在平时的生活中要像不倒翁一样，面对困难坚决不低头，勇于战胜困难。在以后的学习和生活中，我也会坚持实践，通过动手实践探寻更多物理知识规律和趣味现象，理解教材上比较复杂的物理公式、定理、原理，走进奇妙的物理世界，不断丰富自身的知识积累。
在很小的时候，看到商场里摆放的不倒翁我总是会站在前面仔细观察一阵，可能是因为它的造型太可爱了吧，在一次过生日时，我最好的朋友送给我一个不倒翁，这让我爱不释手，甚至想睡觉的时候都抱着不倒翁。可是，在一次写作业时，我不小心把不倒翁撞到了地上，当时很害怕它会摔碎，但是看着它左摇右摆最终恢复了站立的模样，内心十分惊喜，为什么不倒翁不会倒呢？问其他的小伙伴发现他们也不知道不倒翁为什么不倒，在强烈的好奇心的带领下，我开始上网查询与不倒翁有关的秘密，并准备亲自动手制作一个不倒翁。
一、不倒翁中的力学原理
（1）不倒翁的构造
不倒翁的壳体是空的，净重特别轻，下半部分是由半球型体构成，是实心的，重量较大，为中空罩壳，净重很轻;下身是一个实芯的半球型体，净重很大，不倒翁的重心位于半球型体内部，下方的半球型体育支撑面之间存在一个接触点，当半球型体在支撑表面翻转时，接触点的位置不断变化，不倒翁一直利用一个接触点，始终是一个独脚体。
（2）不倒翁的均衡可靠性
在外力的作用下，不倒翁无法维持平衡，但是当外力消失后，不倒翁又可以自主回到平衡的状态，这意味着不到问具备可以抵抗外力维持稳定的能力，而这种能力和不倒翁的受力情况息息相关。
可以把不倒翁的受力情况分为3种情况。首先，均衡受力。将不倒翁放置在桌面上时，受到的外力一共有两个，一个是地球的重力G，还有一个是合外力，也就是桌面给圆球带来的反冲力。按照物理的平衡条件，只要这两个力的大小相等、方向相反、作用在同一条直线上，就可以让不倒翁维持稳定。
其次，歪斜受力。歪斜状态下的不倒翁受到2个外力的影响，一个被称作扰力矩，还有一个被称作抵抗力矩，是不倒翁的重力引起的，之前不倒翁是平稳站立的，但是在外力的作用下，产生了力矩，致使不倒翁歪斜，无法维持原有的平衡。不仅如此，之前重力不会产生力矩，是因為站立状态下的不倒翁，重力功效线以及支撑点位于相同的平行线上，力矩的大小是0，在外力影响下，不倒翁歪斜，半球型体发生翻转，点接触也会随之改变，重力功效线以及支撑点不在相同的平行线上，产生抵抗力矩。随着抵抗力矩的形成与发展，抵抗力矩的方位与干扰力矩的方位正好相反，不倒翁的歪斜角度逐渐加大，重心随着改变，当抵抗力矩和干扰力矩相同时，不倒翁便可以恢复平衡，此时外力干扰的效果随之消失。不难看出，当外力攻击不倒翁之后，毁坏了原本的平衡，但是会形成新的平衡，令不倒翁继续保持平衡，虽然平衡的方式不同，但是平衡的本质没有发生变化。这种被叫做稳定平衡。
最后，在不倒翁倒地时，不管支撑点在哪，它的重心点的支持力始终位于顶端，虽然基座的力臂比较短，但是根据力矩=力*力臂，不倒翁会因为基座一侧的力矩大回到之前的部位。不仅如此，不倒翁的底端是环形结构，滑动的摩擦力比较小，便于不倒翁恢复到原来的位置。
二、物理小制作---不倒翁的制作方法
首先，准备好所学的材料，如鸡蛋、蜡烛、装饰物以及重物等。之后，给鸡蛋开个小口，使用吸管或者是其他的方式将蛋清和蛋黄取出，保留完整的蛋壳，清洗干净后自然晾干后，把重物（比如小铁钉或者是沙子）一点点地放到鸡蛋壳中，之后把蜡烛切成小碎块，倒进鸡蛋壳里，注意不可以装得过多，能够在桌子上站立即可，然后向杯子里倒入热水，把装有蜡烛和重物的蛋壳放在热水里，在观察到蜡烛融化后，摆正蛋壳，直立放置，耐心等蜡烛冷却，把重物固定在蛋壳的底部，然后在蛋壳的外周使用彩色笔和装饰物进行装扮，把小孔封好，这样，一个简易的不倒翁就完成了。
通过亲手制作不倒翁，加深了我对不倒翁原理的认识和理解，知道不倒翁不倒的秘密和它的重有关，因为不倒翁下部分是实心的半球体，重量是壳体的许多倍，所以不倒翁的中心在下半部分，当不倒翁处于竖直状态下，它的重心最低，如果失去平衡，它的重心会有所升高，这种平衡属于稳定平衡，因而不管不倒翁怎样摇摆都不会倒。就像我们在参观科技馆时见到的“锥时，重心体上滚”实验一样，同样是这个道理，因为锥体的形状以及两侧轨道的形状，它的重心始终在下降，但肉眼观察可能是在上升，向上滚的过程不符合现实，只是一种假象，实际上它的重心是下降的，所以重心越低稳定性越强。在日常的生活中我们也常常应用这个原理提高物体的稳定性，也就是增加物理下部分的重量，比方说公交站牌、摇椅、木马、不倒翁沙袋、电话的底座以及话筒架等等，这些都和奇妙的物理知识有关，体现了物理知识在实际生活中的应用。
通过本次的制作活动，不仅让我了解了不倒翁的原理，同时也体会到了动手实践带来的快乐，激发了我对物理知识学习的积极性，在物理实验中掌握更多的物理知识，同时也懂得了在平时的生活中要像不倒翁一样，面对困难坚决不低头，勇于战胜困难。在以后的学习和生活中，我也会坚持实践，通过动手实践探寻更多物理知识规律和趣味现象，理解教材上比较复杂的物理公式、定理、原理，走进奇妙的物理世界，不断丰富自身的知识积累。