“水流星”实验是不是在忽悠人？.pdf

36卷第 6期 物 理 教 学 V01．36NO．6 2014年 6月 PHYSICSTEACHING Jun．2014 “水流星空八验是不是在忽悠人? 徐建国 (奉化市武岭中学 浙江 315502) 摘 要 “水流星”的实验操作简单 ，趣味性强，将它引入到课堂教学 中效果明显 。但是，如果处理得不当，则很可能成为 忽悠学生的把戏 。本文通过理论分析指 出解释 “水流星 ”现象时的问题 ，并通过 实验进行验证 ，最后提 出对该实验 的修正 方 案。 关键词 水流星 竖直平面 圆周运动 向心力 文章编号 1002—0748(2014)6—0021 中图分类号 G633·7 文献标识码 B 在 “生活中的圆周运动”一课 的教学 中，老师们 圆周运动 ，在不到最高点的某个位置就开始离开圆 往往会给学生表演一个 “水流星”的 “杂技”：用绳子 周了。如图 1所示 ，假设这个位置就是在图中的P 的一端系住一个小杯子 ，里面盛一些水 ，然后抓住绳 点，则水和杯子的整体将从该点开始离开原来 的圆 子的另一端甩起来 ，使水和杯子一起在竖直平面内 轨道 ，沿着 图中的虚线做斜抛运动。而在做抛体运 做圆周运动 ，当水杯转到高处时，杯 口朝下 了，可是 动的过程中，水和杯子组成的整体都处于完全失重 水却没有流 出来。这个实验会 引起学生很大 的好 状态下，两者 的加速度都是 g，而速度又完全相 同， 奇 ，觉得不可思议 ，很想知道为什么。然后老师和学 那么它们接下来 的运动情况必定也将是完全相 同 生一起通过分析得 出原 因：水在竖直平面内做 圆周 的，也就是说 ，水和杯子应该是相对静止的。水原来 运动，若经过最高点时的速度为 ，则所需向心力 的 处在杯子的底部 ，在做斜抛运动的过程中，水依然还 一 2 处于杯子的底部，尽管水对杯子 大小为F—m ，方向竖直 向下 。它由竖直向下的重 底部 的压力 已经为零 ，但 它不 力以及杯子对它 的压力共 同提供 ，即mg+F 一 会从杯子里流出来 。甚至我们 一 2 还可 以作这样 的极端假设 ：即 。 只要速度大于~／gR，杯子对水的压力F 就大 A 使到最高点水和杯子 的速度都 于零 ，水就牢牢地压住杯子的底部 ，而不会从杯 口流 是零 了，那么两者都做 自由落 出来；如果在最高点速度等于~／gR ，则做圆周运动 体运动 ，相对位置也不会 发生 图 1 所需 向心力正好等于 mg，只需 由重力提供就行了， 变化 ，水 照样不会从 杯 子里 流 于是杯子对水 的压力恰好为 0，此时水恰好可 以在 出来 。 竖直面内做圆周运动 ，也不会从杯子里倒出来 ；如果 事实会不会如此?笔者通过实验进行了验证。 在最高点速度小于 √gR ，则所需的向心力将小于 取一透 明水杯 ，将杯 口与绳子的一端相连，并在 mg，如果要维持水做 圆周运动 ，杯子对水的作用力 里面注入适量水，使水杯绕细绳 的另一端在竖直面 就得竖直 向上了，而在该 点杯子不可能给水一个 向 内做圆周运动 ，将数码相机摄像功能设置为每秒 上 的作用力 ，因此水就不能做完整的圆周运动 ，而从 1