不可思议的滚动

引入背景：

球、圆柱体、圆桶等放在斜面上都会自动地向下滚动，这是我们生活中经常看到的物理现象。那么，你看到过圆桶放在斜面上放手反而会自动沿斜面向上滚动的吗？下面就让你一饱眼福。

实验器材：

一块长1m左右的木板，一个直径50cm左右的塑料圆桶（配有盖子），一块1.5kg左右的铁块，一个铁质的饮料瓶，一块质量稍大一点的磁铁，宽透明胶带，垫板等。

实验步骤：

（1）用透明胶带将铁块固定在圆桶内壁某处的中间位置，然后封上盖子。（2）将长木板用垫板搭成一个倾角在25°左右的斜面。（3）将大塑料圆桶置于斜面偏底端的位置（注意掌握好铁块在桶内的位置）由静止释放，观察所发生的现象，如图8所示。

图8

实验现象：

看到大圆桶竟然神奇地沿斜面向上滚动起来，最终又停在靠近斜面的顶端位置处，似乎圆桶能感受到再滚就会甩出去一样。

原理剖析：

此实验的原理跟实验3基本相同。为了说明桶的运动情况，我们先用一个去掉盖子的铁质饮料瓶，在它的内壁上吸上一块质量稍大一点的磁铁，然后将其置于斜面的中间位置，通过调整饮料瓶，可以保证要它静止不动它就不动，要它沿斜面向下滚动它就向下滚动，要它沿斜面向上滚动它就向上滚动。如图9所示。

图9

图10

现在我们通过示意图来进一步作说明。如图10所示，图中每个图上的竖直虚线都是通过圆筒与斜面的接触点O的，O点就是圆筒转动的支点。如果我们将内壁上磁铁的位置调整到虚线的右侧，磁铁重力作用线就在支点的右侧（图10中左边的图所示），放手后由于磁铁重力的力矩作用，圆筒就会向上顺时针方向滚动，即圆筒就沿斜面向上运动；同理，如果我们将内壁上磁铁的位置调整到虚线的左侧（图10中中间的图所示），放手后圆筒就沿斜面向下滚动；如果开始我们将磁铁的位置调整到支点处，那么放手后圆筒将不会运动。上面的大圆桶在放手后之所以向上滚动，就是因为放手前将里面的铁块调整到了支点的右侧，而且在靠近过支点的竖直线位置，当它转动到里面的铁块处于图10中右边那个图所示的位置时，就会停下来（最多再沿斜面上、下晃动几下）。这就是大圆桶沿斜面向上滚动的秘密。

说明：

（1）此实验中应该注意的是里面的铁块一定要固定稳，木板不能太光滑，粗糙一些更好，板的长度要根据圆桶的直径来进行计算后选取，长了短了都不好，如果木板太长了，从下端滚不到上端就可能停了，太短了圆桶滚动到上端还停不下来，就会掉到地上去（除非再搭一个平台）。比如，直径是50cm的圆桶，其半个周长在78.5cm左右，实际在滚动时，沿斜面向上运动的距离比78.5cm要稍小一些，因此长木板选择1m长就足够了。（2）在演示时，将铁块的位置调整到靠近过支点的竖直线，但又不能太靠近竖直线。放手时桶的位置也不要太靠近斜面的下端了，要保证圆桶运动到斜面上端时刚好能停止，这样才能达到想要的效果。（3）在演示前表演者可以用一只手拿着开口端，让观众（学生）的视线、手及里面的铁块恰好在一直线上，这样学生就看不到里面有东西，看到的只是一个空桶。然后将盖子盖上，再进行实验演示。（4）此实验可以放在学习物体平衡的种类那一部分作为新课引入，也可以在初、高中衔接的时候或其他场合作为趣味实验演示。