改進型滾擺

滾擺又稱麥克斯韋滾擺，是用來演示重力勢能與動能相互轉化過程中，機械能的總量保持不變這一原理的儀器。

當滾擺被松開，開始旋轉下降，滾擺勢能隨之逐漸減小，而動能（平動動能和轉動動能）逐漸增加。當懸線完全松開，滾擺不再下降時，轉動角速度與下降平動速度達到最大值，動能最大。由于滾擺仍繼續旋轉，它又開始纏繞懸線上升，在這一過程中動能逐漸減小，勢能卻逐漸增加，當上升到與原來差不多的高度時，動能為零，勢能最大。

如果沒有任何阻力，滾擺每次上升的高度都相同，說明滾擺的勢能和動能在相互轉化過程中，機械能的總量保持不變。

一、提出問題

現有滾擺的結構（如圖1）是由支架、滾擺和兩根弦線組成。它的使用方法是向上轉動滾擺，使弦線均勻地繞在木棍上，然后輕輕釋放，滾擺即自由下落，達到最低處時，滾擺又立即向上滾轉。

在演示過程中，由于滾擺向下運動時受到超重作用的影響，弦線極易損壞，為此我們對該裝置進行了改進。

二、制作方法

1.用木板、木方或鐵板、鐵棍做一個帶底座的支架。

2.在支架立柱兩個橫桿上的適當位置各鉆兩個等距的小孔。

3.用四根等長的弦線分別穿過左、右橫桿上的小孔，并和滾擺連結起來（如圖2）。

4.調整滾擺兩端弦線的長度，使滾擺軸水平位于兩橫桿的中線位置，靜止時滾擺距離底板要有一定間隙，然后將兩端的弦線分別固定起來。

三、使用方法

1.向上轉動滾擺，使兩端的弦線均勻地繞在木棍上，這時滾擺正好位于兩端橫桿的中間，使擺輪的轉軸處于水平狀態，并和橫桿平行。

2.輕輕釋放滾擺，使其沿兩橫桿的中線位置自由下落，達到最低處后又立即向上滾轉。如此反復，直到最后停止。

四、實驗原理

當系統受到的外力與非保守內力做功之和等于零時，系統的機械能守恒。

本實驗在忽略擺線與擺軸之間摩擦力及空氣阻力的情況下，滿足機械能守恒的條件。在滾擺上下運動過程中，滾擺的重力勢能與轉動時的動能相互轉換，總機械能保持不變。

在滾擺向下滾動過程中，重力勢能逐漸減少，轉動動能逐漸增加；在滾擺上升過程中，轉動動能逐漸減少，重力勢能逐漸增加。滾擺每次上升的高度相同，體現機械能守恒。

五、注意事項

1.繩子一定要對稱繞在滾擺的軸桿上，否則滾擺會因傾斜滾動而失去穩定性。

2.繩長不能超過支架高度，否則滾擺下落時會觸及支架底部而影響滾動。

六、創新點

1.制作時創造性地采用了對稱式弦線。

2.由于兩端具有弦線，在超重情況下，通過力的分解作用可避免弦線斷開。

通過對滾擺教具的改進，我們學會了分析問題、解決問題的方法，還提高了動手、動腦能力，科技創新能力和查閱資料撰寫科學論文的能力。

此外，我們還懂得了求真務實、執著探索、勇于創新的科學精神，提高了自身的綜合素質和實踐能力。（指導老師：朱振棟 劉 洋 郭洪英）