旋转的环
实验器材
一根木棍、一个内径大于木棍直径的橡胶垫圈。
实验内容
(1) 将小木棍竖直放置在桌面上,并将橡胶垫圈套在木棍的顶端,如图所示,这时可以向学生提问:如果放手让橡胶垫圈自由下落,垫圈由木棍的顶部到底部需要多少时间?
(2)
通过快速晃动小木棍,使橡胶垫圈在小木棍的顶部旋转起来,造成垫圈一边旋转一边下落的效果,再向学生提问:为什么这次下落的情况与上一次不同?
实验现象与解释
如果仔细观察垫圈旋转和下落的速度,就可以发现:垫圈旋转的速度越快,它下落的速度就越慢;反之,垫圈旋转的速度越慢,它下落的速度就越快。
橡胶垫圈与小木棍之间的摩擦阻碍了垫圈的直接下落,垫圈旋转的越快,它所受到的垂直于小木棍的力就越大,因此它的旋转面受到的摩擦力就越大,它下落的速度就越慢。从能量的角度看,垫圈直接下落时,重力克服摩擦力做功,重力势能变为平动动能。当垫圈转动时,它的转动动能来自垫圈所受切向分力的力矩做功。当垫圈的转动动能大到旋转面较稳定时,垫圈在竖直方向受到的合力较小,重力势能减少得就较慢,即下落得较慢。