简介
与视频游戏的魅力相比,如今的孩子们的经典玩具似乎很无聊。但是实际上,它们并不像看起来那么平凡:其中许多玩具体现了重要的物理概念,并与它们一起玩,可以帮助孩子们对周围世界的直觉理解,这些东西无法从现代游戏的虚拟世界中收集到。
要学习您最喜欢的经典玩具的基础物理学,请继续阅读。
旋转上衣
旋转顶部是世界上许多文化,甚至在古代考古遗迹中发现的玩具,都阐明了一些深刻的物理原理。首先是角动量的保护,该法律规定,在没有外部影响的情况下,旋转必须保持旋转。由于顶部的顶部平衡,因此在其下方的表面上经历了最小的摩擦,因此继续旋转很长时间,展示了法律。
但是,随着摩擦最终减慢顶部的变化,它变得不稳定并开始摆动,导致了另一种原则的示威,称为“动力”。当顶部摇摆时,其旋转轴横向垂直沿其中心尖端运行的无形线侧向横向,与桌子倾斜。
该角度使重力的力在顶部施加了“扭矩”,在其上施加了额外的旋转,这会导致其在弧线中向外摆动(或尿布),但仍在旋转。为了保护其总角度动量,顶部的进攻速度速度较慢。这就解释了为什么顶部通常会向外倾斜,就像摩擦使它们的旋转停止一样。
血浆灯
等离子体灯(或地球仪)是非常奇怪的物质的美丽视觉显示。
这些透明的玻璃球充满了非反应性气体的混合物,例如氦气,霓虹灯和krypton的压力不到外部空气的压力不到一百分之一。灯中心的较小球是电极的电引线,该电极用于将电源从电路传递到周围的真空。当灯插入时,高频电流流入电极,然后从那里传递到周围的气态原子。电流将原子电离,给它们电荷并同时导致它们发出光线。电离气体称为血浆。
由于电子试图彼此之间的流动(被彼此的负电荷排斥),因此它们以各个方向向外玻璃球向外射击。他们的逃生路线是灯中可见的血浆丝。
将手放在玻璃靠近的玻璃附近会改变中央电极和玻璃球之间存在的电场,从而有效地增强了向外绘制电子的力。这就是为什么当您触摸球时,血浆丝似乎会吸引您的手。幸运的是,商用等离子体灯的低功率足以使电流沿着灯丝,玻璃并进入您的手时不会受到伤害。
紧身
正如悉尼大学物理教授罗德·克罗斯(Rod Cross)在上述视频中所展示的那样,经典的Slinky玩具展示了一些真正令人震惊的物理学。当您握住一个斜纹的时,然后放开,底部留下了文具,直到线圈的其余部分倒在上面。它似乎在空中悬停,无视物理定律,然后最终与其他线圈落在地面上,但实际上,这种行为是完美的物理意义。
克罗斯说:“最简单的解释是,底端正坐在那里,将自己的业务放下,重力将其拉下来,而张力将其拉起平等和相反的力量。” “在底端没有运动,直到底端得到张力改变的信息为止。而且,该信息需要花费时间来通过Slinky进行传播。”
简而言之,一条带有有关向上力量消失的压缩浪潮必须向下沿着底端向下行驶,然后才“知道” Slinky已被删除,并且应该掉落。
物理上的真正反对意见是,如果Slinky的底端将您放在顶部的瞬间掉落。这种“距离行动”在自然界中从未发生过。
喝鸟
在著名的《辛普森一家》(The Simpsons)的一集中,荷马设置了一只饮酒的鸟,以便在他的计算机键盘上按y键(为“是”),在他外出看电影时为他工作。一个聪明的剧情驱动程序,但不现实:一杯水的存在对于饮酒鸟的持续运动至关重要。
该玩具是一个简单的“热发动机”,可将水从水转化为机械工作。
必须首先将鸟喙的毡尖浸入水中。在内部,鸟头的玻璃球充满了蒸气,这些蒸气从液体中蒸发出来,通常是一种称为二氯甲烷的化合物,填充其下半身。当鸟的喙退出水时,水开始蒸发。蒸发降低了鸟头的温度,导致内部一些二氯甲烷蒸气凝结。当这些蒸气分子移动在一起时,头部的压力降低,这会在玩具的高压底座上吸收液体。液体向上流动,导致鸟变得沉重。它来回振荡,最终尖端(重新润湿了鸟的喙)。
接下来,因为颈管的底端比液体表面高的海拔高度更高,所以这会导致蒸气的气泡向上移动,从而使液体随着液体而移位。液体流回底部的灯泡,其变化的重量将鸟恢复到其垂直位置。然后,该过程重新开始。只要玻璃杯中有足够的水以每次“喝酒”时,鸟都会重新润湿鸟的喙,这只鸟就会继续循环通过这些步骤。
模型火箭
希望您的孩子成为一名火箭科学家吗?现在将它们从模型火箭开始,该火箭使用与真正的火箭相同的基本机制。这些易于操作的玩具可以将其放大到1000英尺以上(300米)的高度,在其后面留下一条烟雾,然后当它们达到顶峰时,将降落伞部署并漂移到地球上,再次被检索和射击。但是他们如何工作?
这一切都是关于火箭点燃内部不同缓存燃料的顺序。首先,发射火箭的人照亮了电动“匹配”,该电动“匹配”是通过火箭发动机底部(2)的喷嘴(1)螺纹的。比赛在火箭燃烧室中点燃了推进剂(3)。推进剂(通常是某种黑色粉末,一种含硫,木炭和硝酸钾的化学爆炸物)燃烧变成热气,这会从喷嘴中喷出。牛顿的第一定律认为,每个行动都有平等和相反的反应。因此,气体向下射击推动了火箭天空。
磁铁
磁性:很奇怪,是吗?那么是什么原因呢?
克利夫兰州立大学物理教授Jearl Walker,广泛使用的教科书“物理学基础”(Wiley,第8版)的合着者(2007年第8版),他解释说,磁场自然从构成原子的电动电荷颗粒向外辐射,尤其是电子。
通常,在物质上,电子的磁场指向不同的方向,相互取消。 (这就是为什么您体内的电子不会在行走时会导致您坚持冰箱的原因。)但是,当物体中所有电子的磁场沿相同方向对齐时,就像许多金属(显然,在磁铁中)发生的那样,会产生净磁场。这会根据自己的磁场的方向吸引或排斥其他磁体对象。
不幸的是,试图在更深层次上理解磁性基本上是不可能的。尽管物理学家提出了一种称为“量子力学”的理论,它非常准确地代表了粒子的行为(包括其磁性),但没有办法直观地理解该理论的真正含义……至少还没有。 [7件事的神秘物理学这是给出的
物理学家想知道:为什么颗粒会辐射磁场,什么是磁场,为什么它们总是在两个点之间对齐,从而为磁铁提供其北极和南极? “我们只是观察到,当您进行带电的粒子移动时,它会创建一个磁场和两个极点。我们真的不知道为什么。这只是宇宙的特征,数学解释只是试图通过自然的“家庭作业”并获得答案,” Walker告诉Walker。
土豆电池
建造土豆(或柠檬或苹果)电池,可以揭示出电路的内部工作。为了进行这个简单的科学实验,您将两个不同的金属物体插入通常是镀锌(锌涂层)的指甲和一个铜钱的铜,然后用鳄鱼夹连接到每个对象的铜。这些电线可以连接到万用表的两个端子(测量电路的电压),也可以连接到数字时钟或灯泡之类的端子上。 (可能需要两到三个土豆串联的土豆才能产生足够的电压来为这些设备供电。)
马铃薯的作用像电池,产生了流过电线的电子电流。之所以发生这种情况,是因为马铃薯中的酸会诱导指甲涂有锌的化学变化。酸充当“电解质”,通过从每个电子中剥离两个电子并使它们带来正电荷来使锌原子电离。这些电子通过电线从锌离子远离锌离子,并通过电路沿着电路的任何设备进行操作,最终在铜一分钱上。从那里开始,他们与附近锌离子在那里排斥的马铃薯淀粉中的阳性氢离子。这些电子的运动足以为玩具时钟或灯泡供电。
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