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1、“探索与发现”展厅“运动之律”展区目 录1、运动的世界12、巨匠对话23、作用力与反作用力24、飞鹰35、物体上滚46、独轮车走钢丝57、空中自行车58、科里奥利力69、掉？不掉？710、转动惯量811、角动量守恒812、共振秋千913、龙形摆1014、弹簧摆1115、香蕉球1116、水中沉浮1217、伯努力定律1318、流体阻力14I1、运动的世界太阳东升西落，车辆南来北往，河水潺潺，草长莺飞从宇宙中的天体，到我们的日常生活，运动无处不在。我们一直生活在一个运动的世界里，此展项为一个展项组，是运动之律展区的开篇展项。由布朗运动、傅科摆和傅科摆小实验三部分构成，名字叫做“运动的世界”。（1）傅
2、科摆和傅科摆小实验大家都知道地球在围绕太阳公转的同时，地球本身也在不停地自转。那么您知道如何才能证明地球在不停地自转吗？1851年，傅科在巴黎向世人展示了他的摆锤实验，这就是著名的傅科摆。通过这件展项，就能证明我们脚下的地球时刻不停地在自传。当年，傅科在大厅的穹顶上悬挂了一条67米长的绳索，绳索的下面是一个重达28千克的摆锤。摆锤的下方是巨大的沙盘。每当摆锤经过沙盘上方的时候，摆锤上的指针就会在沙盘上面留下运动的轨迹。在实验中，人们看到，摆动过程中摆动平面沿顺时针方向缓缓转动，摆动方向不断变化。分析这种现象，摆在摆动平面方向上并没有受到外力作用，按照惯性定律，摆动的空间方向不会改变，因而可知，
3、这种摆动方向的变化，是由于观察者所在的地球沿着逆时针方向转动的结果，地球上的观察者看到相对运动现象，从而有力地证明了地球是在自转。傅科摆放置的位置不同，摆动情况也不同。在北半球时，摆动平面顺时针转动；在南半球时，摆动平面逆时针转动，而且纬度越高，转动速度越快；在赤道上的摆几乎不转。而我们这里则再现了傅科的这个实验，向您展示宏观世界地球的运动规律。如果您还有兴趣的话可以看看旁边的傅科摆小实验，做进一步的认识。（2）布朗运动1827年，布朗在用显微镜观察水中悬浮的花粉粒子时，意外发现粒子在无外力作用下，总不停地运动。布朗对这一现象锲而不舍地耐心观察，进一步发现悬浮在液体或气体中的微粒做永不停地无规
4、则运动，这种现象就是“布朗运动”。 布朗运动间接地证实了分子的无规则热运动，温度越高，布朗运动越剧烈，粒子越少，分子热运动越剧烈。而这件展项则再现了布朗运动，展示微观世界中分子间的运动规律，展项由带悬浮颗粒的液体、加热装置、体视显微镜及展台构成。带悬浮颗粒的液体为一种带有颜料的液体，从中我们可以观察颜料中的微粒。您可通过体视显微镜目镜观察悬浮颗粒在液体中的运动，了解和认识布朗运动。傅科通过傅科摆验证了地球的自转，证明了天体的运动。布朗通过布朗运动的发现、实验研究和理论分析间接地证实了分子的无规则热运动，验证了微观世界同样也是运动的，为日后的科学家进一步解释这一现象提供了有力依据。所以我们只要善
5、于观察生活，就会发现科学就在我们的身边。2、巨匠对话您有过与牛顿、爱因斯坦、海森堡等科学家对话的经历吗?也许您会说：这怎么可能?！展项巨匠对话就可以让您体验这样的经历。当您进入操作区域后，您可以按照显示屏的提示，通过按钮，选择感兴趣的讨论话题并与科学巨匠们进行对话。在讨论活动中，科学家们各抒己见，牛顿说明他对经典力学的看法；爱因斯坦阐述他的相对论观念；海森堡解释着他在微观世界中的量子力学。通过观看科学家之间的对话表演，您可以了解三位伟大科学家在探索运动规律中的重要理论、贡献，以及他们在科学探索与发现中的艰辛历程。通过与科学家之间的对话，您可以领悟到生活在不同时期的牛顿、爱因斯坦、海森堡等科学家
6、在探索运动规律中体现的科学精神、科学思想和科学方法，感悟对于运动规律的探索永无止境。那么这种神奇的经历又是如何实现的呢？首先我来为您介绍一下几位巨匠的模型是如何制作的。爱因斯坦人物模型是按真人比例制作，可实现头、手及身体部位的动作，位于书房中间。您还可以看到有一个幻像装置安装于展项右边，采用三维动画及幻影成像技术分别呈现牛顿、海森堡两个科学家的半身动态人物影像，影像按真人比例制作。黑板造型的显示屏则放在爱因斯坦人物模型和幻影成像之间，用来呈现科学家们的理论及相关方程式。3、作用力与反作用力这件展项叫做作用力和反作用力，您看它由展台、炮、钟摆、小球、轨道、炮弹回收装置构成。在操作过程中，您可以亲
7、手将炮弹放入炮筒之中，通过按钮选择炮对炮弹施加的力的大小（大、中、小三种）。空气炮会在压缩空气的驱动下，将小球按照您所选择的力量，以平射形式射出。您会发现在炮弹发射的同时，炮身后退并撞击位于其后面的小球。由于您选择射击的力量不同，所以炮身后退撞击后面小球的力度也就不同。首先我们解释一下炮身为什么会后退撞击后面小球。这是因为在发射炮弹时，炮身对炮弹施加作用力。炮弹向前运动的同时，反作用力将使炮身向后运动，炮身后退时将撞击位于其后的小球，小球受力沿轨道运动并撞击设置于轨道末端的钟摆，钟摆摆幅大小可显示炮身所受的反作用力大小。那为什么根据您选择射击的距离不同，炮身后退撞击后面小球的力度也就不同呢？这
8、是因为炮身发出的作用力不同，所以它所受到的反作用力也不同，后退时撞击位于炮身后方的小球的力量也不相同。小球撞击位于轨道末端的钟摆的摆动幅度也不相同，所以钟摆摆幅大小可显示炮身所受的反作用力大小。 通过这件展项，我们相当于做了一个小实验，认识了经典的牛顿第三定律，即两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。在日常生活中，这样的例子也是随处可见的：我们走路的时候，脚将地往后蹬（作用力），地就把脚往前推（反作用力），使我们的身体前进。划船的时候，桨将水往后推（作用力），水将桨往前反推，从而使船能前进。同样，往后喷射出去的高速燃烧的气体反推着火箭前进。所以科学就在我们的
9、身边，科学是无处不在的。4、飞鹰这件展项叫做飞鹰。您可以将大小不同的模型鹰放在展台上任意处，之后用手指轻轻点动模型鹰，观察其运动姿态的变化和稳度。您会发现这些鹰可以非常稳固地放在展台上的任意处。那为什么飞鹰可以如此稳固地放置呢？这是因为它利用了稳定平衡规律以及重心与稳度关系等科学概念而设计的。说到这里就不得不提到重力了。由于地球的吸引使物体受到的力叫做重力。重力的方向是竖直向下的，物体各部分所受重力的合力作用点叫做物体的重心，重心与物体的平衡有着密不可分的联系。静止的物体依托在它的支持物上，物体是否稳固，取决于物体重心的位置：如果通过重心的铅垂线重力作用线落在支面以内，稍有振动，物体仍会恢复到
10、原来位置；如果重力作用线落在支面以外，物体就会翻倒下去。展项中的飞鹰利用重心与稳度的科学规律将重心进行了专门设计，因此飞鹰可以稳固地放置。在日常生活中我们也经常利用到这些原理。比如说赛车，为了降低赛车的重心高度，制造出了更加低矮的“低悬挂型”赛车。重心降低后的赛车就不容易翻车了。我们再来看看不倒翁：不倒翁的整个身体都很轻，只是在它的底部有一块较重的铅块或铁块，因此它的重心很低；另一方面，不倒翁的底面积大而圆滑，容易摆动。当不倒翁向一边倾斜时，由于支点（不倒翁和桌面的接触点）发生变动，重心和支点就不在同一条铅垂线上，这时候，不倒翁倾斜的程度越大，重心离开支点的水平距离就越大，重力产生的摆动效果也
11、越大，使它恢复到原位的趋势也就越显著，所以不倒翁是永远推不倒的。 像不倒翁这样：原来静止的物体在受到微小扰动后能自动恢复原位置的平衡状态，在物理学上叫做稳定平衡。5、物体上滚这件展项叫做物体上滚。首先我们先选择一种测试物体放到轨道的低端，之后通过调节旋钮，并同时调节轨道间的俯仰角和轨道间的夹角，大家就会发现其中的锥体在没有动力的情况下，自己向上滚动。俗话说“人往高处走，水往低处流”。在我们的常规认识中，基本上所有的物体都应该是由于受到重力的作用，从高处去往低处的。但是您看这件展项，它分明就是从低处去往高处的。这是怎么回事呢？难道它违背了自然规律吗？请您仔细观察。首先锥体和轨道的形状特殊：一头高
12、一头低的是轨道，不是斜面；滚动的是双圆锥体，不是圆柱体。另外轨道是八字排列，不是平行排列。高端轨道之间距离大，锥体落在双杆中间重心低；而低端轨道之间距离小，锥体在低端被双杆支起重心比在高端时还要高。所以将双圆锥体放在低端由静止自由释放时,锥体会慢慢向上滚动。虽然我们看到的是锥体在向上滚，但由于锥体和轨道的巧妙结构，实际上锥体的重心还是在向下运动，这是符合自然规律的。通过这件展项我们会发现不论是看待一件事物还是对待科学，我们都不能只看到它的表面，还要探究其实质。6、独轮车走钢丝这件展项叫做独轮车走钢丝。钢丝固定在展台上的两根立柱模型之间，您可以通过操作手柄调整钢丝绳一端的高度，使独轮车可从高到低
13、沿钢丝运动。独轮车的座椅上骑着一个火柴棍机器人，由它为参与者表演骑车走钢丝的“绝活”。机器人身上固定有安全绳，安全绳套在顶部的钢丝上可随机器人的移动而移动，防止独轮车车身倾斜。独轮车下方连接有配重装置，它们是可伸缩的连接杆和下端吊挂的配重筐，调节连接杆的长度和配重物，可达到改变独轮车配重的目的。而这件展项的有趣之处更在于您既可观看独轮车走钢丝的表演，还可亲自动手参与其中：通过调整杆长或为吊杆下篮筐中配置不同重物的方式，观察机器人能否顺利平稳地走过钢丝，从而帮助机器人稳定实现骑车走钢丝的表演。那您一定很好奇，为什么机器人不会掉落呢？这是因为独轮车支架下端的配重，可使人、车、配重三者组成的整体重心
14、处于支点的下方，因此是稳定平衡。一旦车身歪斜，便会产生一个回复力矩，使车身回到竖直位置。而当配重的重量不当，便会使人、车、配重三者组成的整体重心变化，失去平衡，导致独轮车歪倒无法行驶。物体的重心越低，稳度越好。用降低重心来提高稳度的例子在日常生活中是很多的。比如说各种车辆的车厢都要尽量低些，装货时要注意把重的货物装在下面，轻的物体装在上面，而且货物不能装得过高，都是为了降低重心，提高稳度。各种机器的底座又大又重，不但加大了支面，而且降低了重心。7、空中自行车骑自行车走钢丝，这么惊险刺激的场面相信您也只在杂技表演中见过吧。在我们的展厅里就有这样一件展项，只不过它可不是表演项目，而是由您亲自骑上去
15、试一试。怎么样？您有这样的胆量吗?我们知道由于地球的吸引使物体受到的力叫做重力。重力的方向是竖直向下的，物体各部分所受重力的合力作用点叫做物体的重心。重心是任何物体的平衡点。重心与物体的平衡有着密不可分的联系。本展项通过亲身经历骑车走钢丝的过程，让参与者体会“重心越低稳度越大”的科学规律。空中自行车需要您与您的同伴共同完成，一人骑车，一人当配重。在车身的下方悬挂着一个座位，当您的同伴坐进去的时候，就起到了配重的作用。自行车加上配重后，人、车、配重组成一个系统。这个系统的重心在钢丝绳下方。支点仍然在车轮与钢丝绳交接处，重心低于支点，是“稳定平衡”。因此，只要骑车人和车形成的合力矩小于配重形成的力
16、矩时，任凭人和车怎样倾斜，都能够回复到平衡状态，不会掉下去。比如说高高的塔式起重机之所以能稳稳地把成吨的器材举上高楼，就是在其下边的压重架里放入很重的钢锭作为配重，把重心降下来了，提高了稳度。我国古代劳动人民很早就使用配重来提高稳度了。明代航海家郑和在帆船的底舱里放了砂石当配重压载物，降低了船的重心，提高了船的稳度，在惊涛骇浪中穿越了太平洋、印度洋，访问了30多个国家。这件展项最有趣的地方在于观众可以选择和同伴一起完成骑车走钢丝的体验，一人骑车，一人充当配重，感受合作的快乐。为保证参与者的安全性，用配重椅时，骑车参与者的体重最多不能大于配重参与者体重20kg。8、科里奥利力这件展项可简单通俗地解释为：在一个旋转
