功与力

研究问题:

• 什么是能量?功是什么?它是如何衡量的?
• 板的倾斜度如何影响罐子从板上滚下的距离?更大的倾斜度一定意味着罐子会滚得更远吗?
• 罐子的重量如何影响它滚动的距离?更重的罐子滚得更远吗?当罐子装满水时会发生什么?

在这些实验中，你将测量一个罐子滚下斜坡的距离。你可以通过改变罐子的倾斜度和重量来了解能量。这看起来很复杂，如果你从离地面相同的距离开始滚动罐子，它会滚动相同的距离，不管板的倾斜度如何。

这个奇怪的结果可以用将瓶子推下斜坡所需的能量来解释。罐子滚动的距离取决于它到达斜坡底部时的能量。这种能量可以通过观察罐子的重量和倾斜的高度来测量。在这里的实验中，能量的测量公式如下:

E = hw。

在这个公式中，E代表能量，H代表离地高度，W代表罐子的重量。如果你的罐子以磅为单位，而离地面的高度以一英尺的几分之一为单位，那么你能量的单位就是英尺磅。不同于改变倾斜的程度，通过使用更轻或更重的罐子来改变重量会产生非常不同的结果。通过往罐子里注水来改变罐子的重量会产生不可预测的结果，因为瓶子里的水在晃动时会损失能量。

材料:

• 大罐子和盖子。罐子应该有一个宽口和光滑的侧面。大的花生酱或蛋黄酱罐也不错。
• 小罐子和盖子。像大罐子一样，这个也应该有宽口和光滑的侧面。需要注意的是，小罐子比大罐子轻得多。
• 一块结实的大木板，至少1英尺宽，4英尺长。木板的深度并不重要。板子要光滑，这样摩擦就越小越好。
• 书堆:用以支撑木板的各种大小的书或木块
• 水
• 记号笔
• 相机
• 胶带

实验过程:

1. 用你的一堆书或积木，把几本书或积木放在木板下面，形成一个斜坡。书的堆叠应该足以使书下面的木板的顶部离地面正好3英寸。在离地面3英寸的地方画一条线。
2. 在罐子的一侧从上到下粘上一层胶带。当你把瓶子滚下斜坡时，一定要把胶带和第一步画的线对齐。
3. 把大罐子往斜坡上滚10次，确保你的胶带与板上3英寸高的线对齐。对于每一个滚动，以倾斜的底部为起点，以静止的罐子底部的中心为终点，测量罐子滚动的距离。平均这些距离。
4. 加大倾斜度，使木板形成一个更陡的角度。再一次，确定木板顶部离地面3英寸的部分，并在这个地方画一条平行线。从你刚才画的线开始滚动瓶子十次。重复十次，并取平均值。改变坡度重要吗?如果你开始滚得离地面更远怎么办?
5. 改用重量较轻的小罐子，重复步骤2 - 4。你的结果与引言中出现的方程有意义吗?

引用:

• 霍利南，我是凯莉·洛根。艾萨克·牛顿和儿童物理学:他的生活和思想与21个活动(儿童系列)。芝加哥评论出版社(2009)
• 凯勒,丽贝卡。真实科学4儿童物理一级。重力出版公司，2005年
• 儿童物理:运动http://www.physics4kids.com/files/motion_intro.html