中科院物理所原创
2018-08-25 14:45:09
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#正经玩
正经玩每周六上午会推送一个好玩的科学实验，可以由家长大朋友带着小朋友在家里动手操作。希望正经玩陪您度过每一个温馨的亲子周末，让小朋友的童年充满知识、爱和陪伴。
引子与先睹为快
上期正经玩中我们吹了一个大肥皂泡，简单模拟了大气环流（当然，这不叫模拟，只是比喻）。其实，大气系统的表现非常有趣，大部分时候风平浪静，但是一旦两股气流强烈对撞，就可能形成灾害性天气。龙卷风大家耳熟能详，十分恐怖的天气，但它是美国的常见天气灾害，而中国不常发生，因此对大部分小伙伴来说，可能只在电视里见过。现在，如果我们有一个水桶，你相信会在水桶中模拟出龙卷风吗？
实验过程
实验器材：所标杯、矿泉水桶、毛线、剪刀、塑料棒。首先我们先准备一根比较长的毛线，剪断并折叠几次加强毛线的承重能力，然后把弄好的毛线缠绕在矿泉水桶瓶口上，从两端留出两条线以便系起来，然后拿出塑料棒，把毛线牢固地系在塑料棒上，然后我们用力转动矿泉水桶，我们就会发现桶里的水开始跟着旋转起来，中心的水面开始往下掉凹了下去，形成了一个新的弯曲的水面。
为了知道这个曲面的形状，我们拟合了几个水面，发现水面都与抛物线拟合较好，这说明这个曲面极有可能是抛物线。这里放一个逐渐转速变大并产生抛物面的视频效果更好。
原理解说当桶旋转起来以后，由于水有粘滞，桶壁会带动桶中的水一起旋转，桶中的水转动起来后在重力的作用下便可形成抛物面。
我们来进行一个非常粗糙但简单的分析，我们取转动以后距离转轴中心为x的一块薄片水，对其进行受力分析，一个沿着y方向的重力mg和一个沿x方向的等效合力离心力，这两个力在垂直与切线方向的分解力是相同的，则有mgsinθ=mω²xcosθ，然后由于曲线切线方向等于tanθ，所以有tanθ=dy/dx=(ω²/g)x，求解即得y为x的抛物线方程。
在很久之前牛顿也注意到了这个现象，并认为可以利用这一点测量重力加速度，同时旋转液体的抛物面可以用来聚焦，特别是水银具有很好的反射性，旋转起来的水银可以起到反射镜的作用，这种液体反射镜可以代替大型天文望远镜中的玻璃反射镜①。
①参考文献：浙江大学物理实验教学中心：旋转液体综合实验
上期回顾
NO.116 气泡大气环流
01-廖鑫的实验分享如下：
02-夏目漱石的实验分享如下：
03-^O^的实验分享如下：
04-治林的实验分享如下：
投票时间于8月28日00:00（即星期二12点整）截止
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