簡介
與視頻遊戲的魅力相比,如今的孩子們的經典玩具似乎很無聊。但是實際上,它們並不像看起來那麼平凡:其中許多玩具體現了重要的物理概念,並與它們一起玩,可以幫助孩子們對周圍世界的直覺理解,這些東西無法從現代遊戲的虛擬世界中收集到。
要學習您最喜歡的經典玩具的基礎物理學,請繼續閱讀。
旋轉上衣
旋轉頂部是世界上許多文化,甚至在古代考古遺跡中發現的玩具,都闡明了一些深刻的物理原理。首先是角動量的保護,該法律規定,在沒有外部影響的情況下,旋轉必須保持旋轉。由於頂部的頂部平衡,因此在其下方的表面上經歷了最小的摩擦,因此繼續旋轉很長時間,展示了法律。
但是,隨著摩擦最終減慢頂部的變化,它變得不穩定並開始擺動,導致了另一種原則的示威,稱為“動力”。當頂部搖擺時,其旋轉軸橫向垂直沿其中心尖端運行的無形線側向橫向,與桌子傾斜。
該角度使重力的力在頂部施加了“扭矩”,在其上施加了額外的旋轉,這會導致其在弧線中向外擺動(或尿布),但仍在旋轉。為了保護其總角度動量,頂部的進攻速度速度較慢。這就解釋了為什麼頂部通常會向外傾斜,就像摩擦使它們的旋轉停止一樣。
血漿燈
等離子體燈(或地球儀)是非常奇怪的物質的美麗視覺顯示。
這些透明的玻璃球充滿了非反應性氣體的混合物,例如氦氣,霓虹燈和krypton的壓力不到外部空氣的壓力不到一百分之一。燈中心的較小球是電極的電引線,該電極用於將電源從電路傳遞到周圍的真空。當燈插入時,高頻電流流入電極,然後從那里傳遞到周圍的氣態原子。電流將原子電離,給它們電荷並同時導致它們發出光線。電離氣體稱為血漿。
由於電子試圖彼此之間的流動(被彼此的負電荷排斥),因此它們以各個方向向外玻璃球向外射擊。他們的逃生路線是燈中可見的血漿絲。
將手放在玻璃靠近的玻璃附近會改變中央電極和玻璃球之間存在的電場,從而有效地增強了向外繪製電子的力。這就是為什麼當您觸摸球時,血漿絲似乎會吸引您的手。幸運的是,商用等離子體燈的低功率足以使電流沿著燈絲,玻璃並進入您的手時不會受到傷害。
緊身
正如悉尼大學物理教授羅德·克羅斯(Rod Cross)在上述視頻中所展示的那樣,經典的Slinky玩具展示了一些真正令人震驚的物理學。當您握住一個斜紋的時,然後放開,底部留下了文具,直到線圈的其餘部分倒在上面。它似乎在空中懸停,無視物理定律,然後最終與其他線圈落在地面上,但實際上,這種行為是完美的物理意義。
克羅斯說:“最簡單的解釋是,底端正坐在那裡,將自己的業務放下,重力將其拉下來,而張力將其拉起平等和相反的力量。” “在底端沒有運動,直到底端得到張力改變的信息為止。而且,該信息需要花費時間來通過Slinky進行傳播。”
簡而言之,一條帶有有關向上力量消失的壓縮浪潮必須向下沿著底端向下行駛,然後才“知道” Slinky已被刪除,並且應該掉落。
物理上的真正反對意見是,如果Slinky的底端將您放在頂部的瞬間掉落。這種“距離行動”在自然界中從未發生過。
喝鳥
在著名的《辛普森一家》(The Simpsons)的一集中,荷馬設置了一隻飲酒的鳥,以便在他的計算機鍵盤上按y鍵(為“是”),在他外出看電影時為他工作。一個聰明的劇情驅動程序,但不現實:一杯水的存在對於飲酒鳥的持續運動至關重要。
該玩具是一個簡單的“熱發動機”,可將水從水轉化為機械工作。
必須首先將鳥喙的氈尖浸入水中。在內部,鳥頭的玻璃球充滿了蒸氣,這些蒸氣從液體中蒸發出來,通常是一種稱為二氯甲烷的化合物,填充其下半身。當鳥的喙退出水時,水開始蒸發。蒸發降低了鳥頭的溫度,導致內部一些二氯甲烷蒸氣凝結。當這些蒸氣分子移動在一起時,頭部的壓力降低,這會在玩具的高壓底座上吸收液體。液體向上流動,導致鳥變得沉重。它來回振盪,最終尖端(重新潤濕了鳥的喙)。
接下來,因為頸管的底端比液體表面高的海拔高度更高,所以這會導致蒸氣的氣泡向上移動,從而使液體隨著液體而移位。液體流回底部的燈泡,其變化的重量將鳥恢復到其垂直位置。然後,該過程重新開始。只要玻璃杯中有足夠的水以每次“喝酒”時,鳥都會重新潤濕鳥的喙,這隻鳥就會繼續循環通過這些步驟。
模型火箭
希望您的孩子成為一名火箭科學家嗎?現在將它們從模型火箭開始,該火箭使用與真正的火箭相同的基本機制。這些易於操作的玩具可以將其放大到1000英尺以上(300米)的高度,在其後面留下一條煙霧,然後當它們達到頂峰時,將降落傘部署並漂移到地球上,再次被檢索和射擊。但是他們如何工作?
這一切都是關於火箭點燃內部不同緩存燃料的順序。首先,發射火箭的人照亮了電動“匹配”,該電動“匹配”是通過火箭發動機底部(2)的噴嘴(1)螺紋的。比賽在火箭燃燒室中點燃了推進劑(3)。推進劑(通常是某種黑色粉末,一種含硫,木炭和硝酸鉀的化學爆炸物)燃燒變成熱氣,這會從噴嘴中噴出。牛頓的第一定律認為,每個行動都有平等和相反的反應。因此,氣體向下射擊推動了火箭天空。
磁鐵
磁性:很奇怪,是嗎?那麼是什麼原因呢?
克利夫蘭州立大學物理教授Jearl Walker,廣泛使用的教科書“物理學基礎”(Wiley,第8版)的合著者(2007年第8版),他解釋說,磁場自然從構成原子的電動電荷顆粒向外輻射,尤其是電子。
通常,在物質上,電子的磁場指向不同的方向,相互取消。 (這就是為什麼您體內的電子不會在行走時會導致您堅持冰箱的原因。)但是,當物體中所有電子的磁場沿相同方向對齊時,就像許多金屬(顯然,在磁鐵中)發生的那樣,會產生淨磁場。這會根據自己的磁場的方向吸引或排斥其他磁體對象。
不幸的是,試圖在更深層次上理解磁性基本上是不可能的。儘管物理學家提出了一種稱為“量子力學”的理論,它非常準確地代表了粒子的行為(包括其磁性),但沒有辦法直觀地理解該理論的真正含義……至少還沒有。 [7件事的神秘物理學這是給出的
物理學家想知道:為什麼顆粒會輻射磁場,什麼是磁場,為什麼它們總是在兩個點之間對齊,從而為磁鐵提供其北極和南極? “我們只是觀察到,當您進行帶電的粒子移動時,它會創建一個磁場和兩個極點。我們真的不知道為什麼。這只是宇宙的特徵,數學解釋只是試圖通過自然的“家庭作業”並獲得答案,” Walker告訴Walker。
土豆電池
建造土豆(或檸檬或蘋果)電池,可以揭示出電路的內部工作。為了進行這個簡單的科學實驗,您將兩個不同的金屬物體插入通常是鍍鋅(鋅塗層)的指甲和一個銅錢的銅,然後用鱷魚夾連接到每個對象的銅。這些電線可以連接到萬用表的兩個端子(測量電路的電壓),也可以連接到數字時鐘或燈泡之類的端子上。 (可能需要兩到三個土豆串聯的土豆才能產生足夠的電壓來為這些設備供電。)
馬鈴薯的作用像電池,產生了流過電線的電子電流。之所以發生這種情況,是因為馬鈴薯中的酸會誘導指甲塗有鋅的化學變化。酸充當“電解質”,通過從每個電子中剝離兩個電子並使它們帶來正電荷來使鋅原子電離。這些電子通過電線從鋅離子遠離鋅離子,並通過電路沿著電路的任何設備進行操作,最終在銅一分錢上。從那裡開始,他們與附近鋅離子在那裡排斥的馬鈴薯澱粉中的陽性氫離子。這些電子的運動足以為玩具時鐘或燈泡供電。
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