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Vast, Warm and Elegant

科学家的精致游戏

有没有可能用一根绳子,将一卷飞驰而下的胶带拉住?别以为它是小孩子的游戏,其实,这是真正属于科学家的研究工作。好了,像科学家一样思考吧,如何才能做到?

材料:长绳,金属垫圈,剪刀,胶带

方法

  1. 剪取一根一米长的绳子。

2. 将绳子穿过金属垫圈的中孔,绕着垫圈缠2,3周,确保绳子将垫圈固定好了。

3. 将绳子的两端打结。

4. 如果你是右利手,那么将绳圈的尾端套在左手上(左利手的相反),手指分开将绳子撑开一定的宽度,同时拉起绳子,让金属垫圈自由下垂,正好处于左手拉开绳子的中点垂直线上。尽量保持稳定。

5. 右手拿起胶带,从垫圈所在的底部套进去,一直向上移动,不要碰到绳子。

6. 准备好了吗?科学家?对,我说的就是你!试一下,从什么样的角度,用什么样的力度抛下胶带,才有可能让它被绳子“抓住”。

你成功了吗?科学家们在做实验的时候,一般要经历步骤是:预测、实验、分析、再次实验、结论。无论你刚才是否成功地将胶带挂在了绳子上,只要你不是试了一次就放弃,那么你都在进行着科学研究呢。科学家,其实就是更会玩的孩子,他们的实验,其实就是更精致的游戏,让我来告诉你,科学家们是怎么“玩”的吧。

预测:右手松开后,胶带受到万有引力的作用,会进行自由落体运动,如果这个过程中没有别的力的作用,胶带就会一直下落,最后掉到地上。要想实现用绳圈挂住胶带的目标,就要在胶带下落的过程中施加别的力才行,什么力呢?要用胶带和绳圈之间的摩擦力——当胶带的内侧接触到绳圈时,会产生摩擦力,摩擦力在减缓胶带自由落体运动趋势的同时,还会产生对垫圈的拉力,垫圈受到拉力后,会发生运动,绕着胶带转动,可能会挂住胶带,阻止它的下落。

实验:让胶带平行于地面,垂直于绳子下落,掉在了地上。再次尝试,将胶带稍稍倾斜一定的角度,自由下落,再次掉在了地上。第三次尝试,将胶带稍稍倾斜一定的角度,右手稍稍用力,朝着绳子的方向抛出胶带,撞到绳子,垫圈高高的荡起,胶带又一次掉到地面上。

分析:将刚才的镜头在你的脑海里变成慢动作想一下:你的右手将倾斜的胶带用力抛出,胶带碰触绳子,产生摩擦力,减缓了胶带下落的趋势,同时,对垫圈产生的拉力让其向上做近似圆周的运动。如果力量合适,可以让垫圈做圆周运动之后,再次穿过胶带的中孔,挂住胶带。如果抛出的力量过大,则有可能让做圆周运动的垫圈超越胶带中孔,挂向胶带的外围,这是无法固定住胶带的。同样,如果力道太弱,垫圈无法通过胶带的中控,也是无法挂住胶带的。所以,胶带“倾斜的角度”和“抛出的力度”这两个变量要协调好,才可以让绳子挂住胶带。

再次实验:保持胶带角度不变,尝试多大的力度会成功。保持力度不变,尝试多大的角度会成功。

当你熟练地掌握了角度和力度,你就可以自信地在同学们面前表演了,这个时候,你可不仅仅是会玩游戏的小朋友,你还是在做实验的科学家呦。无论是在实验室还是在田野,科学家们的研究工作中,非常重要的部分就是进行对比实验。“对比实验”简单来说,就是调节实验过程中一个因素变化,其他的条件保持一致,看一看变动的因素带来的结果是什么。这个游戏就很好说明了对比实验。祝你成功!科学家。

活动升级:和同学们进行比赛,你的同学使用什么角度抛出胶带,你就使用什么角度,你更容易成功的原因是你之前进行了大量的实验和练习。这就是科学的力量和魅力。

本文发表于《知识就是力量》2017年10月刊

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