改进型滚摆

吉林松花江中学高二(12)班 朱广宏

文 吉林市第一中学高二(4)班 史博文

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。

图1

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）。

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。