演示空气反作用力的趣味实验

(浙江省永康市第二中学，浙江 永康 321300)

网络中有一段日本宇航员若田光一在“国际空间站”上的视频，宇航员漂浮在空中，扇动扇子，身体就能发生转动和漂移，巧妙的展现了反冲现象.受到该实验的启发，笔者设计了几款在地面上演示空气反作用力效果的趣味实验.

1 小车上的实验

(1)玩具小车上的实验

图1

如图1所示，利用玩具上的小电动机和小风扇，固定在实验室的小车上，小车放在轨道上.调整轨道的倾斜角度，给小车一个初速度，小车在轨道上运动一段距离后停止.用2节干电池给电动机供电，小电风扇转动，小车能沿叶片吹出风的反方向运动.

(2)平板车上的实验

图2

如图2所示，自制一辆平板车，轮子采用带轴承的橡胶轮(滑板车使用的轮子).平板车上放叶轮直径为40cm的电风扇，电风扇用柔软的导线与220V电源相连，用弹簧秤钩住平板车.接通电源，风扇快速转动，弹簧秤的读数可达8N左右.考虑到轮子与轴及桌面间的摩擦，空气对叶片的反作用力肯定大于8N.放开弹簧秤，平板车与电风扇一起在桌面上加速运动.

(3)自行车和电风扇实验

图3

如图3所示，将两只叶轮直径40cm电风扇固定在自行车的书架上，电扇用长而柔软的导线与220V电源相连.接通电源，电风扇转动，空气对叶片的反作用力能够使自行车前进.这个实验有点勉强，需要地面坚硬平整，自行车轮胎充足气，自行车前后轴以及飞轮用机油润滑，以减小阻力.即便如此，还要使自行车有一个初速度，才能长时间保持运动.如果采用工业鼓风机，效果可能更好.

(4)轴承平板车和电风扇实验

图4

考虑到自行车轮胎的形变，会产生较大的阻力.采用内径25cm、外径50cm的轴承，作为平板车的轮子，这样的平板小车放在水平、坚硬的地面上时，由于刚性形变很少，可以大大减小滚动摩擦.如图4所示，电风扇放在平板车上，人坐在平板车上，接通220V电源，电风扇转动，空气对叶片的反作用力能够使载人的平板车加速前进.

2 自制转椅上的实验

实验室中有可以升降的转椅，由于螺杆与螺母之间有一定的摩擦，转动并不太自如.对转椅进行改造，如图5所示，去掉螺杆和螺母，用粗细、长短合适的钢筋，钢筋底部固定小钢球，钢筋上下端固定两个轴承，钢筋上端与转台固定，钢管与底座相连.将钢筋插入钢管中，两个轴承保证钢筋在竖直方向，这样，转动时的阻力来自于轴承以及小钢球与底座之间，阻力大大减小了，这样转椅转动非常自如.

图5

(1)利用自制转椅演示空气的反作用力

①自制转椅和电吹风实验

图6

如图6所示，人坐在自制的转椅上.手拿电吹风，伸直手臂，使电吹风的方向与手臂垂直.接通电源，电吹风电机转动时，空气对电吹风叶片的反作用力能够使坐在转椅上的人转动.这个实验有缺点，导线缠绕在转椅上，转动圈数受到限制.

②自制转椅和扇子实验

图7

如图7所示，人坐在自制的转椅上.手拿扇子，伸直手臂，扇柄与手臂垂直.扇动扇子，空气对扇子的反作用力能够使坐在转椅上的人转动，转动的圈数就不受限制.

(2)利用自制转椅演示反冲实验

利用自制的转椅可以进行实验拓展，比如做演示反冲现象的实验.

①自制转椅和喷雾器实验

图8

如图8所示，人坐在自制的转椅上，手拿小型喷雾器，伸直手臂.小喷雾器与手臂垂直方向喷出水流，由于反冲作用，能够使坐在转椅上的人转动.

②自制转椅和烟花实验

图9

如图9所示，人坐在自制的转椅上，两手分别拿两个烟花，伸直手臂.点燃两个烟花，烟花向相反方向喷出焰火，由于反冲作用，能够使坐在转椅上的人转动.

通过上述趣味实验，学生就不难理解在完全失重的空间，空气的反作用力和反冲所产生的奇异现象了，从而激起探究物理的兴趣.