重力场中会爬坡的物体

引入背景：

在生活中我们看到物体在重力场作用下都是向下运动的，可是我们也看到过一些物体在重力场作用下往高处运动的报道。这些报道在国外有，在国内也有。比如我国最早发现的辽宁“怪坡”，它位于辽宁省沈阳市新城子区清水台镇周家村东北方的寒坡岭。1990年5月，一辆面包车途经此地，司机下车小歇；回来时，发现熄火的面包车已自行从坡底“滑行”到了坡顶。在这条长约90m、宽约15m、坡度为1.85°的“怪坡”上，坡道平坦，两边长满小草，并无任何异常现象。但就在这“怪坡”上，汽车下坡必须加大油门，而上坡即使熄火也可到达坡顶；骑自行车，下坡要使劲蹬，上坡却要紧扣车闸；人行坡上，也是上去省力，下来费劲。而这种怪现象我们也可以用实验来演示。

实验器材：

两根等长的1m左右的钢管（或两根其他圆形的硬杆也行，比如教室内的扫把杆等），一根短一点的小圆棒，双锥体一个（可以用圆木棒加工而成，也可用生活中日用的类似锥形的两个容器瓶将大的一头接合在一起构成，也可以用厚纸壳剪成相等的两个扇形后再做成两个锥体对接起来用胶带粘牢，还可以直接用两个漏斗用胶带黏合而成，如图37所示，几本厚书（作为垫板使用）。

图37

实验步骤：

（1）将两根钢管用书搭成类似“V”字形的轨道。（2）结合双锥体的大小和长度，对轨道进行高度和宽度的调整（使高的一端间距比低的一端间距大，而且双锥体放在低端时能自然地向上滚动，并且保证双锥体运动到高的一端时不至于脱轨。如果是经常演示的话，还可以把整个轨道调整好后固定成一个整体，这样省去下一次演示时要重新装配和调整带来的麻烦，如图38所示。最简单的是直接用一根粗一点的铁丝或修建上所用的细一点的钢筋来加工制作所需的轨道）。（3）将小圆棒放在轨道的高端，让棒自由地沿轨道滚下，从而让学生相信轨道哪端高哪端低，而且可以重复几次，如图39中的左图所示。（4）将双锥体放在轨道的高的一端，让学生观察双锥体的运动情况。（5）将双锥体放在轨道的低的一端，让学生观察双锥体的运动情况。

图38

图39

实验现象：

当将双锥体放在轨道高的一端时，看到双锥体不会滚动，而将双锥体放在轨道低的一端时，双锥体反而向高的一端滚动起来，如图39中的右图所示。真是太神奇了！

原理剖析：

实际上，不管是“怪坡”也好，这里的双锥体也好，每种现象的发生都应该遵从物理规律，每种运动都是离不开能量守恒及转化定律的。我们所看到的物体的某种运动所需的能量必然是从另一种能量转化而来的。在此实验中，如果我们从侧面来仔细观察双锥体从轨道的低端向高端自然滚动的过程，我们会发现，表面上双锥体是向高处运动了，但双锥体的重心却变低了，如图4.0所示。因此，双锥体向轨道的高处运动，实际上双锥体的重力势能减小了，减小的重力势能转化成了动能。

图40

说明：

（1）此实验中应该注意，两根轨道调整合适之后一定要固定，不然双锥体放上去之后轨道可能会向两边滑动。（2）此实验可以在讲授机械能这一节时作为新课引入，也可以用在其他任何场合作为趣味实验来演示。