在大赛中获得一等奖的实验讲的啥？
中国科学技术馆2020-09-23 09:06
如上图所示，小伙在表演中被摆动的铁球打到了脸上，痛得叫苦连天。没错，是真的打脸！
经取证，这次“打脸”是专门针对小伙的，从下图我们看到，同样的摆动并没有打到穿浅色衣服嘉宾的脸↓
小姐姐凭借一人之力——不对，是两人之力——完全控制了铁球的摆动。为什么是两人？请看铁证如下↓
趁小伙不注意，小姐姐召唤黑衣人更换了道具用球。那么，更换之后的球为什么能“打脸”？这个表演是在干嘛呢？
原来啊，这是发生在第六届全国科技馆辅导员大赛科学实验赛总决赛上的一幕。这个大赛可以说是全国科技馆辅导员的“奥斯卡”。平日里，在各地科技馆中讲解展品、科学实验的辅导员们在这个平台上面向全国观众展示自我，角逐桂冠！
以上动图里的小姐姐和惨遭打脸的小伙儿就是本次大赛科学实验赛一等奖的获得者，小姐姐扮演了“摇博士”，小伙儿是“摆助手”。
听话的摆
摆助手揭开“摇摆魔术箱”幕布，却惊讶地看到里面挂着摇博士的“项链儿”。哪里是项链！这分明是……好吧，小编也懵圈了，这到底是什么呢？摇博士说它叫“听话的摆”。
怎么个听话法儿呢？摆助手说让最上面的球摆动，摇博士转一转杆儿，最上面的球摆动起来。观众说让最下面的球摆动，又变成最下面的球摆动得最厉害了，果真听话！
可摇博士分明转动的是同一根杆儿啊，为什么转动的球还会变来变去的呢？
知识点来了！摆长不同的三个摆与杆连接，杆的旋转使摆摆动，转动频率接近摆的固有频率，共振幅度增大，不同摆长的固有频率不同，以不同速度转动杆，就会出现不同的摆摆得最厉害的现象。
还不太理解？看看这个↓
再看这个↓
再看这个↓
从上面这三个图中咱们可以看到，当锁子摆动时，对面与当锁子这边摆长长度相等的摆摆动得最厉害，这就是因为“转动频率接近摆的固有频率”——共振。
打脸的摆
“听话的摆”表演结束，摇博士和摆助手转动魔术箱，来到了“打脸的摆”。你知道为啥换球之后，同样距离下球的摆动会打到摆助手的脸吗？解密时间到！
其实，这个是“牛顿摆”。牛顿摆是由法国物理学家伊丹·马略特（Edme Mariotte）最早于1676年提出的。在这个摆中，因为能量和动量守恒，原来静止的小球被同质量小球碰撞后获得了与其一样大小的速度，而碰撞小球则停止，多个小球碰撞时也可以进行类似的分析。
如此，当摆动最右侧的球并在回摆时碰撞紧密排列的另外四个球，最左边的球将被弹出，并仅有最左边的球被弹出。而在事实上，由于小球间的碰撞并非理想的弹性碰撞，还会有能量的损失，出来的摆球高度实际上要比敲进的摆球高度略低，所以在表演当中出来的嘉宾并不担心球会打到自己的脸。
那换了球之后为什么会“打脸”呢？
这是因为黑衣人用于更换原来铁球的是一个质量更小的球，因此在同样的动量下被弹出去的距离也就更远，因此，摆助手就被打脸了。
跳舞的摆
摆助手被“打脸”后表示很受伤，为了给他压压惊，摇博士给了他亲自操控一个摆的机会，而且是一个非常有意思的摆——“跳舞的摆”↓
“跳舞的摆”其实是一个蛇形摆，蛇形摆的摆长依次等差递增，而摆长不同，摆动的速动也不同，所以在同时启动以后，摆动表现出明显的规律性。伴随着音乐，像跳起了舞一般。
你觉得他们的表演好不好玩儿？在实验的末尾，摆助手看着舞动的灯球看得出神了。他想到，这科学规律可真是个好东西。
看到这里，小编是无比的认同，这些科学原理不光可以“让摆听话”、“让摆打脸”、“让摆跳舞”，它们在现实生活中也非常实用。比如“听话的摆”涉及的共振原理。
最近，河南一位物理老师在逛公园时共振隐患的新闻登上了热搜，经他计算，60人齐步行进易引发桥梁共振，存在安全隐患。
“暴走团”真能把桥梁踩塌吗？是不是危言耸听？历史上还真有这样的案例！拿破仑时期，法国一队士兵迈着整齐划一的步伐，通过法国昂热市一座大桥。快走到桥中间时，桥梁突然发生强烈的颤动并且最终断裂坍塌，造成许多官兵和市民落入水中丧生，造成这次惨剧的罪魁祸首，正是共振！
对于共振的防御还出现在电影院里。当我们走进电影院时，往往立刻会感到听感的明显变化，这是因为电影院在装修过程中会综合设计吸声材料和装修方式，以避免混响时间过长或过短，并使得简正频率尽量分散，以消除多模共振。
再比如，在积雪的高山上，人们不敢高声说话，正是为了避免共振引发可怕的雪崩。
当然，共振带给人们的不都是危害，生活中也不乏人们对于共振原理加以正面应用的例子。
像厨房里的微波炉，便是利用共振的原理来工作的：微波炉内的微波在遇到有水份的食物时便会使水分子和它一起以相同的频率振荡，振荡中分子与分子互相摩擦产生热量，从而把食物加热。
再比如敲钟以及一些乐器，也是通过振动体与空气柱共振来发出声音：
还有医院里面的核磁共振。核磁共振方法是利用核磁矩共振的现象测定材料内部原子和分子组成及其所处微观环境的方法。原子核的磁矩在恒定强外磁场作用下发生旋进运动(即进动)，当进动的核的自然频率与外来的射频辐射频率一致时发生核磁体对无线电波的共振吸收，此即为核磁共振现象。
说到这儿，你是不是也觉得掌握共振的原理对人们的生活太有用了？要知道，这只是一组表演当中的一个科学原理而已，在两年一度的全国科技馆辅导员大赛中、在我们看不见的各地科技馆的层层选拔赛当中，还有许许多多组的科学表演，许许多多的科技馆辅导员们在表演中向大众演绎着更多的科学原理，这些原理大多与我们的生活息息相关。
科技馆辅导员们并非演员，但在舞台表演当中一丝不苟，勇敢担当，这是他们对待职业的态度。当他们在岗位上面对观众讲解展品、实验时，看着观众的笑脸，想到科学从他们这里传播至千家万户，他们知道这种努力是值得的！
审稿专家：罗会仟 中科院物理研究所副研究员
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