改进型滚摆

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  滚摆又称麦克斯韦滚摆,是用来演示重力势能与动能相互转化过程中,机械能的总量保持不变这一原理的仪器。
  当滚摆被松开,开始旋转下降,滚摆势能随之逐渐减小,而动能(平动动能和转动动能)逐渐增加。当悬线完全松开,滚摆不再下降时,转动角速度与下降平动速度达到最大值,动能最大。由于滚摆仍继续旋转,它又开始缠绕悬线上升,在这一过程中动能逐渐减小,势能却逐渐增加,当上升到与原来差不多的高度时,动能为零,势能最大。
  如果没有任何阻力,滚摆每次上升的高度都相同,说明滚摆的势能和动能在相互转化过程中,机械能的总量保持不变。
  一、提出问题
  现有滚摆的结构(如图1)是由支架、滚摆和两根弦线组成。它的使用方法是向上转动滚摆,使弦线均匀地绕在木棍上,然后轻轻释放,滚摆即自由下落,达到最低处时,滚摆又立即向上滚转。
  在演示过程中,由于滚摆向下运动时受到超重作用的影响,弦线极易损坏,为此我们对该装置进行了改进。
  二、制作方法
  1.用木板、木方或铁板、铁棍做一个带底座的支架。
  2.在支架立柱两个横杆上的适当位置各钻两个等距的小孔。
  3.用四根等长的弦线分别穿过左、右横杆上的小孔,并和滚摆连结起来(如图2)。
  4.调整滚摆两端弦线的长度,使滚摆轴水平位于两横杆的中线位置,静止时滚摆距离底板要有一定间隙,然后将两端的弦线分别固定起来。
  三、使用方法
  1.向上转动滚摆,使两端的弦线均匀地绕在木棍上,这时滚摆正好位于两端横杆的中间,使摆轮的转轴处于水平状态,并和横杆平行。
  2.轻轻释放滚摆,使其沿两横杆的中线位置自由下落,达到最低处后又立即向上滚转。如此反复,直到最后停止。
  四、实验原理
  当系统受到的外力与非保守内力做功之和等于零时,系统的机械能守恒。
  本实验在忽略摆线与摆轴之间摩擦力及空气阻力的情况下,满足机械能守恒的条件。在滚摆上下运动过程中,滚摆的重力势能与转动时的动能相互转换,总机械能保持不变。
  在滚摆向下滚动过程中,重力势能逐渐减少,转动动能逐渐增加;在滚摆上升过程中,转动动能逐渐减少,重力势能逐渐增加。滚摆每次上升的高度相同,体现机械能守恒。
  五、注意事项
  1.绳子一定要对称绕在滚摆的轴杆上,否则滚摆会因倾斜滚动而失去稳定性。
  2.绳长不能超过支架高度,否则滚摆下落时会触及支架底部而影响滚动。
  六、创新点
  1.制作时创造性地采用了对称式弦线。
  2.由于两端具有弦线,在超重情况下,通过力的分解作用可避免弦线断开。
  通过对滚摆教具的改进,我们学会了分析问题、解决问题的方法,还提高了动手、动脑能力,科技创新能力和查阅资料撰写科学论文的能力。
  此外,我们还懂得了求真务实、执著探索、勇于创新的科学精神,提高了自身的综合素质和实践能力。(指导老师:朱振栋 刘 洋 郭洪英)
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