你有没有想过，当你乘坐云霄飞车转圈时，为什么能稳稳坐在位子上而不会飞出去？令人惊讶的是，这不只是安全带的功劳！你能稳稳坐在位子上，是因为有向心力。向心力的作用当然不只是让我们乘坐云霄飞车转圈圈，它还能让人造卫星在轨道上运行，你骑自行车转弯时也得靠它！
在这个实验中，我们将使用弹珠和果冻来研究向心力和圆周运动。你猜弹珠会朝哪边跑？
重要概念
物理学
力
运动
向心力
圆周运动
加速度
背景说明
牛顿是细心的自然观察者，运用数学和科学描述当时还不了解的自然现象。我们现在依然经常使用牛顿的运动定律，在几乎所有和运动有关的科技里，都看得到这些定律的影子。牛顿发现，要移动一个物体，必须有力作用于这个物体，使它朝特定方向移动。运动中的物体将永远以等速运动，除非受到反向力的作用。你坐车时应该感受过这种现象：汽车开始前进时，你会向后仰，因为你的身体想停留在原本静止的位置；你开始前进之后，如果汽车突然停下，你会向前倾，因为你的身体想以原本的速度前进。
牛顿发现，当物体沿圆形路径运动（或加速）时，它会倾向往外运动，远离圆心。举例来说，当你坐在车上，车子开始转弯时，你的身体会朝弯道外侧运动，离开转弯的方向。尽管你的身体会朝弯道外侧运动，但使你沿圆形路径运动的力却称为“向心力”。
实验材料
·至少四个透明塑料杯
·剪刀或打洞器
·水管胶带或电工胶带
·细绳
·锅子
·量杯
·炉子
·不同颜色的果冻粉两盒
·冰箱
·至少三颗弹珠
·开阔的室外空间
·手电筒
准备工作
1. 拿一个塑料杯，用剪刀或单孔打洞器在距离杯口约2.5公分的位置打一个洞，在杯子另一边也打一个洞。
2. 在两个孔上方的杯缘各贴一小片水管胶带或电工胶带。将胶带向下折，让它贴在杯缘内外，但不要盖住刚才打的洞。这样贴是为了防止细绳松脱。
3. 将细绳绑在塑料杯上。细绳的一端绑住杯缘的一个小孔，另一端绑在另一个小孔上。
4. 这个杯子就是向心力产生器。测试一下，一手抓住细绳，另一手将杯子向下拉，确定细绳已经牢牢绑在杯子上。
5. 请大人帮忙做果冻。使用热开水时必须格外小心，并留意不要让果冻溶液溅出。
实验开始
1. 依据包装上的说明，用适量热水溶化果冻粉，制作第一层果冻。
2. 将果冻溶液倒入另外三个塑料杯中，高度是杯子的一半。
3. 将这三个杯子放进冰箱冷却2~3小时，直到果冻完全凝固。
4. 果冻凝固之后，从每杯果冻的表面中央轻轻压入一颗弹珠，让弹珠固定住，不会乱跑就好。果冻的结实程度要足以支撑弹珠重量，你知道为什么吗？
5. 制作第二层果冻。你知道第二层果冻的颜色为什么要和第一层不同吗？
6. 小心地将热果冻溶液慢慢倒进杯子，盖住第一层果冻和弹珠，直到距离杯缘大约2.5公分的高度。
7. 将杯子放回冰箱2~3小时，直到溶液完全凝结。
8. 等果冻凝固之后，将一个果冻杯迭在向心力产生器（绑着细绳的杯子）上。
9. 把迭好的杯子带到开阔的室外空间。（万一向心力产生器的细绳不小心断了，果冻才不会喷洒到整个地板、墙壁和家具上！）
10. 抓住细绳，让迭在一起的杯子在你的头顶上方旋转20圈，杯子每转一圈就数一下。如果你在杯子旋转时放开细绳，你认为杯子会朝哪个方向飞？
11. 旋转20圈后停下来，拿出套在里面的杯子。
12. 用手电筒照射装着弹珠的杯子。你看得见弹珠吗？弹珠在哪里？它往哪里移动？
小秘诀：如果不容易找到弹珠，可以试着用手电筒从杯底照射弹珠。
小秘诀：如果弹珠没有移动，可能是果冻太硬。先试着再将果冻旋转20圈，但这次转快一点。如果弹珠还是没有移动，可以将杯子在室温下放置一夜，让果冻软化，或是重做一次果冻，这次多加一些水。
13. 将其他果冻杯分别放上向心力产生器旋转20圈。观察一下，弹珠的移动有什么模式吗？弹珠是不是每次移动方向都相同？移动方向跟你原先所想的相同吗？移动了多远？
补充1：还有一条牛顿定律指出，物体的运动与质量有关，所以试着用重量不同的小物体取代弹珠，如钓鱼铅锤、豆子、硬币、串珠等，看看这条定律会带来什么影响。当物体的重量或大小不同时，运动情形会有什么差异？
补充2：你让向心力产生器以多快的速度旋转？速度和圆周运动之间是否有关系？把节拍器设定成快慢两种速度，然后跟着它旋转向心力产生器。杯子在快速和慢速运动时，物体运动的状况有什么不同？
补充3：探讨牛顿运动的方法很多。试试带着装有果冻和弹珠的杯子，去其他地方做实验。当你带着杯子摆动、溜滑梯、乘坐旋转木马、云霄飞车、汽车、自行车或其他地方时，杯子里出现了什么变化？
结果与观察
每一次实验中，杯子里的弹珠是否都从中央移动到底部去了？
物体沿圆周运动或加速时，物体倾向以切线方向往圆外运动，如果没有向心力作用，物体会沿切线方向飞出。举例来说，如果你在旋转果冻杯时放开细绳，杯子会以切线飞离你。杯中的弹珠也想这样离开，因此每个弹珠都会在果冻中移动，直到碰到杯底。
在这个实验中，系统中的向心力由细绳的张力提供。这个力是「向内拉」的力，使杯子沿圆形路径运动，类似于人造卫星在地球重力拉扯下沿轨道运行。作用于弹珠的向心力是「向内推」的力，这个力由杯底提供，使弹珠沿圆形路径运动，而不会沿切线飞出。你乘坐云霄飞车转圈时，也是因为向内推的向心力作用，才能稳稳坐在位子上。
清理工作
把弹珠从果冻中挖出来洗干净，再把果冻丢到垃圾桶，塑料杯洗净可资源回收。
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