自動回轉的“魔罐”

齊占波

一、實驗要點

1. 實驗裝置：如圖1所示。

2. 實驗器材：罐子（金屬或塑料罐），橡皮筋，鉤碼（或小鐵塊），竹簽。

3. 實驗過程：（1）在一個罐子的蓋和底各開兩個小洞，將小鐵塊用細繩綁在橡皮筋的中部穿入罐中，橡皮筋兩端穿過蓋和底的小洞并用竹簽固定起來;（2）使小鐵塊懸于罐體內;（3）將罐子從不太陡的斜面滾下。

4. 實驗現象：罐子從不太陡的光滑斜面滾下后，向前繼續滾動一段距離后停下來，接著會沿原路往回滾動，甚至會滾上斜面。

5. 原理分析：罐子從不太陡的光滑斜面滾下的過程中，在罐子和小鐵塊的共同作用下，橡皮筋會被卷緊，它的彈性勢能持續增加，整個裝置的運動速度先增大后減小。當整個裝置靜止時，橡皮筋的彈性勢能最大。橡皮筋要恢復原狀，其彈性勢能又轉化為罐子和小鐵塊的動能，所以罐子會沿原路往回滾動，甚至會滾上斜面。

二、實驗拓展

彈簧門（如圖2所示）是裝有彈簧合頁的門，開啟后會自動關閉。這是由于門被推開后，彈簧被卷緊，具有彈性勢能，放開手后彈性勢能轉化為門的動能，使門自動關上。

蹦床表演是運動員利用蹦床反彈來表現雜技技巧的運動，它屬于體操運動的一種，有“空中芭蕾”之稱。其原理與“魔罐”的自動回轉類似，能夠實現自動反彈。

三、典例解析

例1 如圖3所示，在一個罐子的蓋和底各開兩個小洞，將小鐵塊用細繩綁在橡皮筋的中部穿入罐中，橡皮筋兩端穿過小洞用竹簽固定，做好后用力推，使它沿水平地面滾動，觀察到的現象是（ ）。

A. 罐子滾動不遠便很快停止運動

B. 罐子滾動比空罐子更長距離后才停止運動

C. 罐子滾動一段距離后又滾回原處并停止運動

D. 罐子在水平地面上來回滾動，直到停止運動

解析：用力推罐子的過程中對罐子做功，罐子具有了動能。罐子由快到慢運動過程中將自身的動能轉化為橡皮筋的彈性勢能，直至罐子靜止時罐子的動能為零，橡皮筋的彈性勢能最大。然后，橡皮筋的彈性勢能又開始轉化為罐子的動能，使罐子往回滾動，而且速度越來越快，當橡皮筋的彈性勢能最小時，罐子的動能最大，速度最快，接著罐子又將自身的動能轉化為橡皮筋的彈性勢能。

如此往復，使罐子在水平地面上來回滾動。由于在彈性勢能與動能相互轉化的過程中要克服阻力做功，損失一部分能量，導致最后罐子的機械能全部轉化為其他形式的能量而停止運動。

答案：D

例2 如圖4中所示的蹦床表演，在演員從高處跳下落在蹦床上，又被彈起的過程中，下列說法不正確的是（ ）。

A. 蹦床彈性勢能最大時，演員動能最小

B. 演員從接觸蹦床到蹦床最大形變的過程中，受到的合力先減小后增大

C. 演員從高處落下到接觸蹦床之前，重力勢能轉化為動能

D. 演員從接觸蹦床到蹦床最大形變的過程中，只有動能和彈性勢能的互相轉化

解析：當演員接觸蹦床到最低時，彈性勢能最大，此時演員處于瞬時靜止狀態，所以動能最小，故A正確;演員從接觸蹦床到蹦床最大形變的過程中，受的彈力逐漸增大，重力不變，先是彈力小于重力，合力逐漸減小，演員加速向下運動，然后彈力大于重力，合力逐漸增大，演員減速向下運動，所以合力先減小后增大，故B正確;演員從高處落下到接觸蹦床之前，高度變小，重力勢能變小，速度增加，動能變大，所以重力勢能轉化為動能，故C正確;因為演員從接觸蹦床到蹦床最大形變的過程中，演員的高度仍在變小，重力勢能變小，所以演員的重力勢能和動能同時轉化為彈性勢能，而不是只有動能和彈性勢能的互相轉化，故D錯誤。

答案：D