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最速降线 科技馆科教数学互动展品定制 学校园社区科普馆器材

发布时间:2020-11-07 16:19:57 人气:

1、内容

这是一个大型展项,在展台上设计了三个不同形状的轨道,一个为直线轨道,另外两个为曲线轨道(弯曲的坡度不一样)。将三个小球放在起点处,打开释放机构,使三个小球同时下落,同时对应的数码管会进行计时,全部到达终点后,数码管会显示三个小球到达终点的时间。我们会发现坡度最大的轨道,小球的下落时间是最少的。

物体沿轨道下降的速度不是简单的只取决于轨道的长度,它也取决于轨道的形状。球体所受重力沿轨道切线方向的分量越大,下落的速度就越快,而摆线轨迹是一条圆滚曲线,它的轨迹比较陡峭,重力在它切线方向上的分量比较大,球的下落速度比较快,所以先到达终点,而直线的轨道虽然短,但球体下落的速度较曲线上的球体下落速度慢,因此后到达终点。

2、原理

在一个斜面上,摆两条轨道,一条是直线,一条是曲线,起点高度以及终点高度都相同。两个质量、大小一样的小球同时从起点向下滑落,曲线的小球反而先到终点。这是由于曲线轨道上的小球先达到最高速度,所以先到达。然而,两点之间的直线只有一条,曲线却有无数条,那么,哪一条才是最快的呢?伽利略与1630年提出了这个问题,当时他认为这条线应该是一条弧线,可是后来人们发现这个答案是错误的。1696年,瑞士数学家约翰·伯努利解决了这个问题,他还拿这个问题向其他数学家提出了公开挑战。牛顿、莱布尼兹、洛比达以及雅克布·伯努利等解决了这个问题。这条最速降线就是一条摆线,也叫旋轮线。

瑞士数学家约翰.伯努利在1696年再提出这个最速降线的问题,征求解答。次年已有多位数学家得到正确答案,其中包括牛顿、莱布尼兹、洛必达和伯努利家族的成员。这问题的正确答案是连接两个点上凹的唯一一段旋轮线。

旋轮线与1673年荷兰科学家惠更斯讨论的摆线相同。因为钟表摆锤作一次完全摆动所用的时间相等,所以摆线(旋轮线)又称等时曲线。

3、目的

展项通过互动参与的方式,让观众在亲身体验的过程中,了解最速降线的知识,同时联系实际生活了解最速降线的应用。

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