演示空氣反作用力的趣味實驗

(浙江省永康市第二中學(xué)，浙江 永康 321300)

網(wǎng)絡(luò)中有一段日本宇航員若田光一在“國際空間站”上的視頻，宇航員漂浮在空中，扇動扇子，身體就能發(fā)生轉(zhuǎn)動和漂移，巧妙的展現(xiàn)了反沖現(xiàn)象.受到該實驗的啟發(fā)，筆者設(shè)計了幾款在地面上演示空氣反作用力效果的趣味實驗.

1 小車上的實驗

(1)玩具小車上的實驗

圖1

如圖1所示，利用玩具上的小電動機和小風(fēng)扇，固定在實驗室的小車上，小車放在軌道上.調(diào)整軌道的傾斜角度，給小車一個初速度，小車在軌道上運動一段距離后停止.用2節(jié)干電池給電動機供電，小電風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，小車能沿葉片吹出風(fēng)的反方向運動.

(2)平板車上的實驗

圖2

如圖2所示，自制一輛平板車，輪子采用帶軸承的橡膠輪(滑板車使用的輪子).平板車上放葉輪直徑為40cm的電風(fēng)扇，電風(fēng)扇用柔軟的導(dǎo)線與220V電源相連，用彈簧秤鉤住平板車.接通電源，風(fēng)扇快速轉(zhuǎn)動，彈簧秤的讀數(shù)可達(dá)8N左右.考慮到輪子與軸及桌面間的摩擦，空氣對葉片的反作用力肯定大于8N.放開彈簧秤，平板車與電風(fēng)扇一起在桌面上加速運動.

(3)自行車和電風(fēng)扇實驗

圖3

如圖3所示，將兩只葉輪直徑40cm電風(fēng)扇固定在自行車的書架上，電扇用長而柔軟的導(dǎo)線與220V電源相連.接通電源，電風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，空氣對葉片的反作用力能夠使自行車前進(jìn).這個實驗有點勉強，需要地面堅硬平整，自行車輪胎充足氣，自行車前后軸以及飛輪用機油潤滑，以減小阻力.即便如此，還要使自行車有一個初速度，才能長時間保持運動.如果采用工業(yè)鼓風(fēng)機，效果可能更好.

(4)軸承平板車和電風(fēng)扇實驗

圖4

考慮到自行車輪胎的形變，會產(chǎn)生較大的阻力.采用內(nèi)徑25cm、外徑50cm的軸承，作為平板車的輪子，這樣的平板小車放在水平、堅硬的地面上時，由于剛性形變很少，可以大大減小滾動摩擦.如圖4所示，電風(fēng)扇放在平板車上，人坐在平板車上，接通220V電源，電風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，空氣對葉片的反作用力能夠使載人的平板車加速前進(jìn).

2 自制轉(zhuǎn)椅上的實驗

實驗室中有可以升降的轉(zhuǎn)椅，由于螺桿與螺母之間有一定的摩擦，轉(zhuǎn)動并不太自如.對轉(zhuǎn)椅進(jìn)行改造，如圖5所示，去掉螺桿和螺母，用粗細(xì)、長短合適的鋼筋，鋼筋底部固定小鋼球，鋼筋上下端固定兩個軸承，鋼筋上端與轉(zhuǎn)臺固定，鋼管與底座相連.將鋼筋插入鋼管中，兩個軸承保證鋼筋在豎直方向，這樣，轉(zhuǎn)動時的阻力來自于軸承以及小鋼球與底座之間，阻力大大減小了，這樣轉(zhuǎn)椅轉(zhuǎn)動非常自如.

圖5

(1)利用自制轉(zhuǎn)椅演示空氣的反作用力

①自制轉(zhuǎn)椅和電吹風(fēng)實驗

圖6

如圖6所示，人坐在自制的轉(zhuǎn)椅上.手拿電吹風(fēng)，伸直手臂，使電吹風(fēng)的方向與手臂垂直.接通電源，電吹風(fēng)電機轉(zhuǎn)動時，空氣對電吹風(fēng)葉片的反作用力能夠使坐在轉(zhuǎn)椅上的人轉(zhuǎn)動.這個實驗有缺點，導(dǎo)線纏繞在轉(zhuǎn)椅上，轉(zhuǎn)動圈數(shù)受到限制.

②自制轉(zhuǎn)椅和扇子實驗

圖7

如圖7所示，人坐在自制的轉(zhuǎn)椅上.手拿扇子，伸直手臂，扇柄與手臂垂直.扇動扇子，空氣對扇子的反作用力能夠使坐在轉(zhuǎn)椅上的人轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的圈數(shù)就不受限制.

(2)利用自制轉(zhuǎn)椅演示反沖實驗

利用自制的轉(zhuǎn)椅可以進(jìn)行實驗拓展，比如做演示反沖現(xiàn)象的實驗.

①自制轉(zhuǎn)椅和噴霧器實驗

圖8

如圖8所示，人坐在自制的轉(zhuǎn)椅上，手拿小型噴霧器，伸直手臂.小噴霧器與手臂垂直方向噴出水流，由于反沖作用，能夠使坐在轉(zhuǎn)椅上的人轉(zhuǎn)動.

②自制轉(zhuǎn)椅和煙花實驗

圖9

如圖9所示，人坐在自制的轉(zhuǎn)椅上，兩手分別拿兩個煙花，伸直手臂.點燃兩個煙花，煙花向相反方向噴出焰火，由于反沖作用，能夠使坐在轉(zhuǎn)椅上的人轉(zhuǎn)動.

通過上述趣味實驗，學(xué)生就不難理解在完全失重的空間，空氣的反作用力和反沖所產(chǎn)生的奇異現(xiàn)象了，從而激起探究物理的興趣.