在气轨上进行鼓风机吹帆问题的模拟演示实验

物 理教用 电动 鼓风 机 正对 帆鼓 风 ， 船是 前进 ， 帆 还
是后 退 ？为 什 么？ 针 对 这 个 问题 我 们 通 过 构 造 ” 简化 模 型进行理 论分析 ， 而设 计模 拟 演示 实验 继 验证后 得 出结论 ： 帆船上 用 电动鼓 风 机 对 帆鼓 在 风时船 有后 退 、 静止 、 前进 三种运 动 情况 。这 一 问 题 的讨 论与 实验对 培养学 生 的分 析思考 能力及 实 验 创新 能力都 是非 常有意义 的。
： 一
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ｆ ＋ｍ１ Ｍ
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１ 理 论 分 析
为 了讨论 问题 的方 便 ， 们把 电动 鼓风 机 连 我
此种情 况下 ，船前 进 。 １ ２ ３ 完全 弹性碰撞 ．． ． 因为 ｅ＝ １， 此过 程 同样动量 守恒 ， 有
： 一 ， ： ，
续鼓 风 的过 程近 似看作 气枪不 断 向外 发射 小球 的
收稿 日期 ： ０ ６—１ ０ ２０ ２— ６
作 者简 介 ： 梁会 琴 （ ９ ６一） 女 ， １５ ， 河南 洛 阳人 ，副教授 。
“ 风 机 吹 帆 问题 ” 之 于 两 本 通 用 的大 学 鼓 取
１２ Ｉ 完全非 弹性碰 撞 ．． 此种情 况动 量守恒 ， 船 与小球 看成 一个 系 把
将顺 风鼓 起 ， 流 反射后 外 缘部 分 推 向后方 ， 气 相
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６ ２・
洛阳师范学院学报 ２０ ０ ７年第 ５期
当于 １２ ２或 １２ ３碰 撞 中小 球 落 于 水 中的 情 ．． ．． 况， 故船前 进 ；） 与 鼓 风 机组 成 密 闭 系统 ，相 ３帆 当于 １２３碰撞 中小球 落 到船 上 的情况 ， 然 船 ．． 显 静止 ； 外若 帆与 鼓风 机 组 成非 密 闭 系统 ，考 虑 另 到 １ 、） 种情况 ， 当调 整 帆与鼓 风 机之 间的 ）２ 两 适 距离 和鼓风机 鼓风 的速度 ， 船也 可 以静 止 。 以上 的几 个 “ 当于 ” 指等效 作用 ， 相 是 并非 是 由实 际的碰撞 产生 的结果 。另 外在 以上 的讨 论 中
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洛 阳师范学院学报 ２ ０ ０ ７年第 ５ 期
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在 气 轨 上 进 行 鼓 风 机 吹 帆 问题 的模 拟 演 示 实 验
梁 会琴
（ 阳师范学院物理 与电子信息学院 ， 洛 河南洛 阳 ４ １２ ） ７ ０２
摘
要 ： 文通 过 用 简化模 型分析 和 结合 实际情 况讨论 得 出 ： 帆 船 上 用 电动鼓 风机 对 帆 本 在
统 ，总动量 为 ０， 速度 为 ０ 故 船静止 。 ，
１２ ２ 非 弹性碰 撞 ．．
设 恢 复 系 数 为 ｅ，碰 撞 后 船 的速 度 为
小 球 的速度 为 Ｖ ， ，则
，
＝ｅ （＜ １ ， ）
此过 程 同样动 量守恒 ， ｍＶ ＋ ＝ ， 有 ＇ ＭＶ ０ 则
， ： ： 一 ， ，
均忽 略 了水及 空气对 船 的阻力 。
２ ）将 帆 向风 机 移 近 ，并 改 用 １Ｖ干 电池 供 ２ 电， 开启控制 电路 ， 观察到帆面顺 风鼓起 ， 始滑 开 块稍有后退 随后便 向前滑 行 ； ３ ）使 帆逐 渐 远 离 风 机 ，仍 用 １Ｖ 干 电池 供 ２ 电， 开启 控 制 电路 ，观 察 到 当 帆 处 于 某 一 位 置 时 ， 块恰好 静止 ； 滑 ４ ）把 软 布 帆 换 成 泡 沫 塑 料 平 板 进 行 实 验 ， 滑块 只能 缓缓后 退 ， 这是 因为气 流 到达平 板后 推
１ ２ 小球 与挡板 的作用 过程 ．
小 球运行 到 与挡板 碰撞 时 ，小球 与 挡板 的 碰 撞 可分 为完全 非 弹性碰撞 、 弹性碰 撞 、 全弹性 非 完
碰 撞三种 情 况 。
吹到帆的速度小于刚从鼓风机吹出的速度， 故船 后退 ；） 帆离 鼓 风 机 较近 且 鼓风 较 快 时 ，帆 面 ２若
鼓风 时船有后 退 、 止 、 静 前进 三种 运 动情 况。并在 气轨 上 设 计模 拟 演 示 实验 对 结果 进 行 了
验证 。
关 键词 ：气轨 ； 电动 鼓风机 ； 帆 ； 船 反射 式红 外 线开关 中图分 类号 ： ４— ３ ０ ３ 文献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ： ０ ９— ７ ０ ２ ０ ） ５— ０ １ ０ １０ ４ ９ （０７ ０ ０６ — ２
船上 ， 船静 止 。因此 船可 能静止 也可 能前进 。
（ 括气 枪 、 板 、 余 小球 ） 包 挡 剩 以相 对地 的速 度 运动 ， 取小球 运动 的方 向为正 方 向 （ 向前 ） ，忽 略 水、 空气对 船 的阻力 （ 以下 同 ） 此 过程 动量 守恒 ， ，
ｍ
２ 结合 实际情况 的分析
断续 过程 ，而把 船 帆看作 对小 球 的挡 板 。按 照这 个 物理模 型 ， 我们 先来 考虑 气枪 发射 一粒 小球 时 帆船 的运 动 。它应 该包括 以下 三个过 程 。
１ １ 小球 与气 枪的作 用过 程 ．
此种 情况 ， 船亦 前进 。
１ ３ 考 虑小球 被反 弹后作 用对 象的情 况 ． 显 而易 见 ，１ ２ １结论 不 变 ，即船 静 止 。对 ．．
设船 （ 带挡 板 ） 与气 枪 的总 质 量 为 ，小 球 的质 量为 ｍ ，开始处 于静 止状 态 。当小 球从 气 枪 中射 出后 ，假 设 小 球 相 对 地 的 速 度 为 ，则 船
于 １２２和 １２ ３两种 情况 ， 小球 反 弹后 落 于 ．． ．． 若 水 中 ， 结 论 不 变 ，船 前 进 ； 小球 反 弹后 落 于 则 若
实 际情 况为鼓 风机鼓 风 吹 帆。因此可 作如 下
有 ＝一
』
， 则船 应 向后 运动 。
分 析 ：） １ 当帆 离 鼓风 机 较 远且 鼓 风 不 快 时 ，相 当 于 １２ １碰撞 ，考 虑 到有 漏 风 （ 时 帆 面近 似 为 ．． 此 平 面露 出的气 流 推 向 与 帆面 平行 的外 侧 ） ，且 风