感受萬有引力的力量

曹遠強

卷卷老師：講述科學小實驗的導師，中學物理教師，同學們眼中無所不能的“神人”，因為頭發天生卷曲而得此別名。

小 璇：卷卷老師的女兒，初二學生，喜歡動手實踐來解答心中的“為什么”。

小 博：與小璇同齡的鄰居家的孩子，人小膽大，好奇心非常重。

小 斐：小博的雙胞胎妹妹，既喜歡看熱鬧，又喜歡親手嘗試一探究竟。

小璇的媽媽端來一盤洗好的蘋果，卷卷老師拿起一個蘋果說道：“據說大科學家牛頓從‘蘋果落地問題引發思考，發現了萬有引力并總結出了萬有引力定律。”

小斐說：“牛頓被蘋果砸中的故事我們都知道，老師說是因為重力的原因它才落地，我們人人都離不開重力。”

卷卷老師回答道：“是啊，重力是地球施加的，它的方向總是豎直向下，因此我們扔出一個物體，它會落下來。我給你們做幾個有趣的實驗。我們都知道水往低處流，物體如果不穩固，就會向低處運動，今天讓你們看一個反常的現象。”

【實驗器材】 兩把螺絲刀、鋼球、兩根光滑的木棍（長度大于1.5米）、一個籃球或排球等。

【實驗內容】 1.把兩把螺絲刀很自然地平放在桌面上，螺絲刀上的金屬棒靠近木柄的一端高，刀口處一端低。

2.將兩把螺絲刀的木柄處分開一定距離，寬度略小于鋼球的直徑，刀口端互相接觸。

3.將鋼球放在金屬棍中間略微靠上的位置松手，會發現鋼球向木柄方向滾動（如圖一）。

小璇、小斐和小博都覺得很奇怪。卷卷老師提醒他們仔細觀察，看誰先發現其中的奧秘。卷卷老師反復把鋼球放上去，三個人仔細觀察。

小斐說：“我知道了，越往上開口越大，球會陷下去，上面的位置，鋼球可以陷入更低，因此向上滾動。”

小璇和小博經她這么一提醒，也都認可這個結論。

卷卷老師贊嘆道：“小斐觀察仔細，善于動腦筋，很棒！實際上鋼球真的往高處滾動了嗎？”

“沒有。”三人異口同聲地回答。

小博說：“我們用籃球來做這個實驗能行嗎？”

卷卷老師答：“可以嘗試。不過，籃球表面粗糙，與木棍間的摩擦阻力大一些，不容易成功，一定要耐心仔細調整位置方可成功。”

三個人開始搬桌子，找東西，卷卷老師不斷給他們提建議。經過多次嘗試，調整寬度和高度，終于成功了。最后他們玩得非常高興，因為他們看到大籃球一次次向“高處”慢慢自發滾動（如圖二）。

小博問：“老師，什么是物體的重心？”

卷卷老師：“重心就是一個點，即物體受重力的作用點。比如人體各個部分都受重力，但我們可以想象它受力的總效果，相當于作用在我們人體的某一個點上，這個點就是人體的重心。一個物體重心低了，它的穩定性就會更好。比如汽車，底盤做得很低，行駛中就會更穩，不容易翻車。”

小博道：“我明白了為什么賽車做得那么矮了。”

卷卷老師說：“我們要支撐住一個物體，如果支撐住了物體的重心，它就很容易穩定。下面來看這樣一個有趣的小實驗。”

【實驗器材】 一支鉛筆、一把小刀（刀片和刀鞘部分之間的摩擦力要大一些的）。

【實驗內容】 1.把小刀刀尖豎著插入鉛筆側面。

2.不斷調整刀柄與刀的角度，直到筆尖可以穩穩地立在手指上（如圖三）。

小璇說：“這個實驗比較有趣，讓我們都來試一試。”

卷卷老師一邊看大家興致勃勃地做實驗，一邊給他們講解：“走鋼絲的人，常常拿一根長桿，做什么用呢？就是調整重心，使表演者的整個重心在鋼絲的正上方。走鋼絲的人通過訓練，對于重心感覺極為靈敏，通過身體和長桿的及時調整，實現精彩表演。”

“那么，怎樣才知道物體的重心在哪里呢？”小璇提出了心中的疑問。

卷卷老師答：“對于質地均勻的規則物體，重心在幾何中心。”

小斐問：“什么是幾何中心？”

卷卷老師答：“比如球體，重心就在球心處，再比如長方體，重心在中心對角線的交點處。”

小博插嘴道：“不規則的物體呢？”

卷卷老師自信地說：“通過下面的這個小實驗告訴你答案。”

【實驗器材】 一支鉛筆、一塊形狀不規則的薄木板（在不同位置打好兩個小孔）、細繩、長直尺、記號筆。

【實驗內容】 實驗過程1：

伸出一個手指，另一只手把鉛筆橫放在指頭上，不斷調整位置，直到鉛筆在指頭上穩定，手指與鉛筆接觸的位置，就是這支鉛筆重心的位置（如圖四）。

實驗過程2：

1.用細繩拴在薄木板的一個孔上，將木板懸掛起來。

2.待穩定后，拿長直尺和記號筆按繩垂直向下的方向，在木板上畫一條直線。

3.將裝置取下來，解開細繩，拴在另一個小孔上，再次懸掛起來。

4.重復步驟2，這樣兩條直線就會出現一個交點。

5.在交點上畫得重一點，標上字母G，這個點就是薄木板重心的位置（如圖五）。

小博問：“老師，失重是怎么回事？我從電視里看到宇航員在飛船里面飄來飄去，真好玩。”

卷卷老師說：“失重應該加引號，多數情況下重力并沒有真的失去，除非航天器離開地球十分遙遠。飛船在繞地球飛行時，重力提供了繞地球轉動的向心力，不再像在地球上一樣把人拉向地面，好像重力失去了。”

三個人聚精會神地聽著。

卷卷老師說：“要不我們接下來做一個小實驗來說明這種失重。”

【實驗器材】 純凈水塑料瓶、錐子、水。

【實驗內容】 1.用錐子在瓶子側面扎幾個小孔。

2.裝上水，水會從小孔向外噴射形成水流（如圖六）。

3.當放開手讓瓶子自由下落，仔細觀察，水流沒有了。

小斐疑惑不解地問：“在下落過程中，水流沒有了，怎么就是失重呢？”

卷卷老師說：“瓶中水因為感受到重力，會對瓶底和側壁有壓力，水才會從小孔向外冒出。在下落過程中，這個壓力突然沒有了，就好像水突然失去了重力。”

“可是水失去重力了嗎？”小博問。

“當然沒有，這種現象叫失重，實際上重力并沒有失去。除了失重，還有一種超重現象。”卷卷老師接著講道，“當航天器加速上升離開地球時，航天員的身體會被緊緊地壓在地板上，假如他們的身體下有體重計的話，顯示的讀數會變得很大，遠遠超出自己正常的體重，這種現象叫作超重，與失重一樣，也是人的一種錯覺。”

卷卷老師手一揮，說：“走，跟我去搭乘垂直升降的電梯，你們可以直接體驗失重和超重現象。”

【實驗器材】 家用體重計、垂直升降電梯。

【實驗內容】 把體重計放在電梯的地板上，蹲在上面（好看清讀數），記下自己的體重，觀察電梯加速與減速時體重計的數值如何變化（如圖七）。

【原理解析】 人站在電梯里，正常情況下靜止或勻速升降時腳對底面是有壓力的，壓力的大小等于人的體重。但電梯加速上升時，人處于超重狀態，對底面的壓力大于體重，反之加速下降時，對底面的壓力會小于體重，相當于“失去了部分重力”。從理論上來講，若電梯自由下落，人的腳對電梯地板的壓力為零，即完全失重。

（編輯 文 墨）