重力的魔力

把科學帶回家:活動 2


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關鍵概念
重力
摩擦力
慣性(牛頓第一運動定律)

摘自 《國家科學教育標準》:物體的位置和運動

簡介
您是否見過魔術師快速地從桌子上扯下桌布,而讓所有的盤子和杯子仍然留在原位?這個戲法根本不是魔術——而是科學!您可以使用相同的原理(無需打破任何盤子)使硬幣落入一個小容器中。

一枚靜止在臺面上的硬幣不太可能做太多事情——除非您或其他人做些什麼來移動它。如果您輕輕推它一下,它會朝哪個方向移動?如果您從幾英寸的高度掉落它呢?硬幣的行為方式與大多數固體物體一樣——它保持靜止,直到您對其做些什麼。但是,您能在物體靜止時讓它去您想讓它去的地方嗎?像魔術師一樣,透過讓硬幣從紙環的平衡點落入一個小容器中——幾乎只靠重力的幫助。

背景
著名的桌布戲法的關鍵也是使這項活動奏效的關鍵:速度。透過使用一個快速、流暢的動作,您正在克服紙和硬幣之間產生的摩擦力(輕微的抓力)的阻力。快速的移動讓重力有機會壓倒摩擦力——並展示慣性。

慣性,由艾薩克·牛頓爵士解釋,現在被稱為牛頓第一運動定律,它指出靜止的物體將保持靜止(運動的物體將保持運動),直到受到另一個力的作用,例如重力——或者您!

材料
•    硬幣
•    瓶子、罐子或頂部開口小的容器(比硬幣大——但不要大太多)
•    3 英寸 x 5 英寸索引卡或其他結實的紙張
•    剪刀
•    膠帶
•    鋼筆或鉛筆
•    水(可選)

準備
•    小心地將索引卡縱向剪成約 3/4 英寸寬的條狀。
•    將卡片的末端粘在一起,並將其塑造成一個環,使其能夠平衡在容器的小開口頂部。
•    如果您的容器不夠重,無法自身穩定,或者您只是想看到硬幣濺起水花,則將容器部分裝滿水!
•    將紙環以寬邊朝上的方式平衡在容器的開口頂部,使環的開放中心面向您。
•    將硬幣平衡在環的最頂部——正對著容器的開口上方。這種平衡可能需要嘗試幾次,如果太困難,請嘗試使用較大的卡紙製作更大的環。

步驟
•    您能在不使用手的情況下將硬幣放入容器中嗎?
•    將鋼筆或鉛筆水平放置在環內。慢慢地將環從容器頂部拉下來。硬幣發生了什麼?
•    將環和硬幣放回容器頂部。
•    現在嘗試快速動作:將鋼筆或鉛筆插入環的中心,然後快速將環拉到一側(小心鋼筆或鉛筆的尖銳尖端)。這次硬幣去哪兒了?它是否比緩慢推動時更靠近容器——或在容器內部掉落?
•    如果硬幣沒有掉入容器中,請觀察它比緩慢推動時靠近了多少,並嘗試多做幾次。
•    您能以多慢的速度拉開環,仍然能讓硬幣掉入容器中?
•    額外內容:當您使用較大或較小的紙環時會發生什麼?
•    額外內容:嘗試將其變成魔術師桌布戲法的一個版本。將一張扁平的索引卡放在瓶子的開口上。將一枚硬幣放在索引卡的頂部,使其正對著開口上方。儘可能快地嘗試滑動索引卡。您能讓硬幣掉入下面的開口中嗎? 繼續閱讀以瞭解觀察、結果和更多資源。 觀察和結果
您認為當您緩慢拉開環和快速掃開環時,硬幣的行為方式為什麼不同?

硬幣不是在胡鬧——它是在遵守物理定律。當硬幣所 resting 或被緩慢推動的環時,由於摩擦力有助於將其固定在那裡,因此它會與環停留更長時間。然後重力最終接管,硬幣滾落到檯面上。但是,當硬幣一直 resting 的紙面被快速掃開時,摩擦力沒有機會將其拉動。相反,原本靜止的硬幣除了在重力的作用下直線向下掉落之外,無處可去。

分享您的硬幣掉落觀察和結果!在下方留言或在大眾科學Facebook 頁面上分享您的照片和反饋。 清理
倒出水,注意不要讓任何硬幣掉入下水道。回收或重複使用您的容器。
 
更多探索
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牛頓運動定律”,來自 TeacherTECH 的概述
《重力是一個謎》,作者:Franklyn M. Branley,適合 4-8 歲
《萬事皆可做兒童科學實驗書:煮沸冰塊、漂浮水、測量重力——挑戰你周圍的世界!》,作者:Tom Robinson,適合 9-12 歲

接下來…
用靜電彎曲水流

您需要的材料
•    三個小泡沫塑膠杯(或者,您可以使用兩個紙杯來裝水,並使用一個充氣的氣球來提供靜電荷)
•    牙籤
•    水
•    一個有乾淨、乾燥頭髮的人

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