關鍵概念
物理
數學
能量
拋射體
引言
如果你曾被橡皮筋射中過，那你就會知道它具有能量——足以擊中你的手臂並引起刺痛！但是你有沒有想過靜止狀態下被拉伸的橡皮筋與其所含能量之間的關係是什麼？橡皮筋儲存的能量與其被釋放後飛行的距離有關。那麼，你能猜到一種測試拉伸的橡皮筋包含多少能量的方法嗎？
背景
如果一個機械裝置不能工作，那它就沒有任何樂趣。但是，在物理學意義上，“做功”需要能量。考慮一下用繩子和滑輪將水桶從井裡拉上來。使這個機械系統工作的能量是由拉繩子的人提供的。
關於支援科學新聞
如果你喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞工作： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於當今塑造我們世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
實際上有兩種不同的能量：勢能，即儲存的能量；動能，即運動中的能量。“罐中蛇”的經典惡作劇就是一個動能和勢能之間差異的絕佳例子。這是一個老笑話，你給某人一罐花生，讓他們開啟它，但裡面實際上是一個長彈簧，當蓋子被擰開時就會彈出。由於彈簧通常被裝飾成蛇的樣子，這個惡作劇通常會導致受害者嚇得跳起來並尖叫！當蛇形彈簧被壓縮並固定在未開封的罐子內時，它具有勢能。但是，當罐子開啟時，當假蛇跳出來時，勢能會迅速轉化為動能。
材料
• 一條長而寬的水泥人行道、車道或其他可以在上面用粉筆畫的硬表面（作為替代方案，你可以用紙製作距離標記，並將它們放置在無法在上面作畫的表面上）
• 粉筆
• 公制尺
• 橡皮筋（長度和種類相同）
• 一位助手
• 公制捲尺
• 紙和鉛筆或鋼筆
準備工作
• 找一位助手，收集你的用品，然後去室外進行這項活動。你需要一個有足夠空曠空間的地方，那裡有水泥或其他你可以在上面用粉筆作畫的硬表面。
• 你的夥伴將會在飛行的橡皮筋著陸的地方畫圈，所以要選擇一個眼力好、跑得快的人！
• 小心地將橡皮筋射向前方——並確保沒有人處在飛行路徑上！如有必要，請讓成年人進行橡皮筋發射。
步驟
• 在你選擇的室外場所，站在你面前有大量空曠空間的地方。用粉筆在你腳趾前畫一條線。這是你發射橡皮筋時對齊腳的位置。這也是你測量橡皮筋飛行距離的標記。
• 你的助手可以站在你前方几米處，但要偏向一側，不要直接在射擊路線上！確保他或她有一塊粉筆。
• 透過將橡皮筋掛在尺子的前邊緣，然後將其向後拉伸到尺子上的 10 釐米 (cm) 處並鬆開橡皮筋來發射橡皮筋。記住你握住尺子的角度和高度，因為你需要在每次發射橡皮筋時保持相同。
• 讓你的助手在橡皮筋著陸的地方畫一個小粉筆圈。
• 以相同的方式發射至少另外四個橡皮筋，每次都將它們向後拉伸到尺子上 10 釐米處。讓你的助手圈出每個橡皮筋著陸的地方。
• 測量從你的線到你的助手畫的圓圈的距離。將這些距離寫在“10 釐米”的標題下。所有五個橡皮筋都落在彼此附近，還是它們落下的位置差異很大？
• 以相同的方式發射更多的橡皮筋，只是將它們向後拉伸到 15 釐米、20 釐米、25 釐米或 30 釐米。對於每個拉伸長度，發射至少五個橡皮筋。每次發射後，讓你的助手圈出它們著陸的地方。在以給定的拉伸長度發射五個橡皮筋後，測量從你的線到圓圈的距離。將這些距離寫在它們的拉伸長度的標題下（例如，“20 釐米”）。
• 對於每個拉伸長度，所有五個橡皮筋都落在彼此附近，還是它們的位置差異很大？它們是否落在與使用不同拉伸長度發射的橡皮筋不同的位置？
• 對每個拉伸長度的結果求平均值，並透過將“拉伸長度（釐米）”放在 x 軸上（這將是 10 釐米、15 釐米、20 釐米、25 釐米和 30 釐米）並將“發射距離（釐米）”放在 y 軸上（這將是你測量的距離）來繪製結果圖。你的資料是否遵循任何型別的模式或趨勢？拉伸長度和發射距離之間的關係是什麼？你認為這表明在使用橡皮筋時勢能和動能之間的關係是什麼？
• 提示：如果你的橡皮筋用完了，你可以隨時抓住一些你已經用過的橡皮筋並重復使用它們，因為它們著陸的地方會有一個粉筆圈。
• 附加：在本活動中，你在每次試驗中都保持發射的角度和高度相同。這些變數如何影響橡皮筋的行駛距離？設計一個單獨的活動來分別測試這些變數中的每一個。
• 附加：你可以透過使用其他型別的機械系統（例如彈簧和彈弓）來完成與此類似的活動。使用這些其他機械系統收集的資料與使用橡皮筋收集的資料相比如何？
• 附加：為了進行更高階的挑戰，你可以使用線性迴歸來進一步分析你的資料。你能否定義一個表達該系統中勢能和動能之間關係的方程式？ 觀察和結果
拉伸到 30 釐米的橡皮筋是否比其他橡皮筋發射得更遠？當你繪製資料圖時，你是否看到發射距離和拉伸長度之間存線上性關係？
當你向後拉伸橡皮筋時，你將勢能（儲存的）輸入到橡皮筋系統中。由於它是一個彈性系統，這種勢能被稱為彈性勢能。彈性勢能（以焦耳為單位測量）等於 1/2 乘以拉伸長度（“x”）的平方，再乘以彈簧常數“k”。每個橡皮筋的彈簧常數都不同，但是可以計算出來（參見下面的“歡迎來到橡皮筋射擊指南”）。當橡皮筋被釋放時，勢能會迅速轉化為動能（運動）。這等於橡皮筋質量的一半乘以其速度（以米/秒為單位）的平方。
使用這些方程式，你可以計算出橡皮筋在釋放時的速度，並發現速度與拉伸長度之間存線上性關係。（由於橡皮筋在空中停留的時間取決於其初始高度和重力，並且這些因素在你的試驗中不應改變，因此橡皮筋的飛行距離取決於其初始速度。）因此，在繪製資料圖後，你應該看到拉伸長度和發射距離之間存在大致的線性關係。
更多探索 什麼是能量？來自威斯康星州 K-12 能源教育計劃 (KEEP)
能量轉換：勢能到動能來自FT探索科學技術 歡迎來到橡皮筋射擊指南：射擊物理學作者：蒂姆·摩根
用於能量的橡皮筋來自科學夥伴 本活動由以下機構合作推出科學夥伴