铁圈滚动物理课题.docx

物理课题 一、课题背景 我们许多人在小的时候都玩过一种名为“滚铁圈”的游戏.用一个前部弯曲的铁杆，支住一个直径约为40cm的铁质圆圈，然后通过跑动给予其一定的初速度，松开手后铁圈便会自行滚动较长距离（在地面相对平坦的情况下），但这看似简单的现象实则蕴藏着许多科学原理.我对铁圈具有一定速度时便不会倾倒的现象产生了好奇，并决定进行深入探究. 二、实验目的 通过实验得出在所用材料一定的条件下铁环具有微小倾角时倾倒的最小速度. 探究铁环倾倒的临界速度与铁环与平面之间摩擦因数的关系. 尝试结合实验数据结合理论知识探究此类问题的通解. 三、所涉原理 通过查阅相关资料，我们发现这样的现象与陀螺原理以及物体运动时的角动量有一定的关系.当铁圈没有转动时，角动量为零，一旦稍微倾斜便会受到外力矩的作用从而倾倒.但是当其以一定的速度滚动时，便会获得一个像左的比较大的角动量.当外力矩不为零时，角动量也会随之改变.但是通常外力矩的增量的模远小于铁圈固有的角动量，所以表现出类似于进动的行为，因而可以较为稳定地向前滚动. 四、实验仪器设备 较细的铁圈、两台闪频摄像机、铁圈固定器、弹簧测力计（用来测量滑动摩擦因数）、表面粗糙程度不同的板面等. 五、实验内容 测量铁圈与材料表面的动摩擦因数：将铁圈水平放置与某一平面，用细绳捆绑，另一端接弹簧测力计，保持细线水平缓缓拉动铁圈使之做匀速直线运动，待测力计示数稳定后进行读数.通过公式F=以N计算出动摩擦因数.用相同的方法计算出其他几种材料与铁圈之间动摩擦因数. 测量铁圈的质量：使用弹簧测力计测量，并计算出其质量. 最小临界速度的测量：在平面上支好铁圈固定装置，其中铁圈将沿着直线进行运动，在运动方向的末端与铁圈中心同一高度处支起一台闪频摄像机（用来测量铁圈的倾斜程度）.在垂直于运动方向的地方接另一闪频摄像机（用来测量铁圈滚动的速度）.实验开始时用一定的力量推动铁圈使之向前运动让其滚动直至停止，多次实验并通过闪频照片计算出铁圈即将发生较大倾倒时铁圈的滚动速度. 结合不同板面多次测量：实验过程基本与第二步相同但换用不同的版面材料. 五、数据处理 在表格上同时列出动摩擦因数与倾倒临界速度，尝试找出这两者的关系并构建适当函数表示. 使用铁圈的质量及闪频照片的数据计算滚动时的角动量，联系之前所得函数结果结合所学物理知识推断此类问题的理论通解.