过山车安全释放高度的实验“误差”不能简单归因于摩擦生热

一、引言

近日，在学校阅览室查阅资料，有幸拜读了《物理教学》杂志于2019年5月份在“生活与物理”专栏刊发的《高中科技活动'过山车’中的难点与物理原理探究》一文（简称原文），微主被作者认真开展实验探究的热情所感动。

不过，原文中将过山车模型中小球释放高度与理论高度存在较大差别的原因归结为小球与轨道的摩擦损失，微主对此不能苟同。

二、原文摘要

三、原文核心数据

原文中过山车竖直圆周的半径为5cm，其理论推算显示，小球若要安全通过竖直轨道的最高点，其释放的高度至少为12.5cm。

原文中实验测得的安全通过最高点所需要的释放高度为：23.1cm，19.5cm和16.8cm；这些数值都明显大于理论值12.5cm。

四、原文核心观点

原文作者为认过山车模型中小球释放高度与理论高度存在较大差别的原因是小球与轨道之间的摩擦生热。

五、质疑与辨析

微主对“过山车模型中小球释放高度与理论高度存在较大差别的原因归结为小球与轨道的摩擦生热”的观点不能苟同。因为小球在轨道上运动时，是既有平动，又有滚动的。

资料显示，小球做纯滚动时，转动动能与平动动能的比例为2:5。原文在运用机械能守恒定律计算小球的初始释放高度的时候，忽略了小球的转动动能。

在纯滚动条件下，转动动能与平动动能的比例为2:5。如果考虑了小球的转动动能，计算出的小球释放高度要大于13.5cm，比忽略转动动能时多了1cm。

因此，将过山车模型中小球释放高度与理论高度存在较大差别的原因简单归结为小球与轨道的摩擦生热，是不合适的。

六、实验验证

小球的转动动能在过山车实验中的“误差”中占了多大比重，还有没有其他误差来源，可以利用实验轻松验证。

微主到实验室寻找离心轨道，发现离心轨道的各种部件已经散作一地，朽烂不堪，多套离心轨道散件竟然拼装不出一个满足这个实验的离心轨道。

无奈之下，微主花费57元购买了一台离心轨道，目前正在路上，几日后就会到手。

也希望感兴趣、有条件的网友按照这一思路率先开展实验探究，给过山车问题中的这个“误差”一个合理的说法。

| 创客焦作 | 

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