關鍵概念
物理學
重力
勢能
動能
摩擦力
能量守恆
引言
過山車需要多少能量才能順利透過環形軌道而不會卡住？在這個專案中建造你自己的彈珠過山車，找出答案！
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背景
過山車依靠兩種型別的能量執行：重力勢能和動能。重力勢能是物體由於其質量和離地高度而儲存的能量。動能是物體由於其質量和速度而擁有的能量。
當過山車到達第一個大坡的頂端時，它具有很大的勢能，因為它離地面很高。它非常緩慢地越過山頂，因此幾乎沒有動能。然後，它從山坡的另一側下降，並隨著高度的迅速降低開始快速行駛。勢能轉化為動能。當車廂穿過山丘、環形軌道、彎道和轉彎時，這個過程會重複進行。每當它向上行駛時，它會隨著高度的增加而獲得更多的勢能，但隨著速度減慢而失去動能。能量永遠不會被創造或毀滅——它只是從一種形式轉化為另一種形式。這個原理被稱為能量守恆。
然而，我們從經驗中知道，過山車不會永遠執行下去。最終，它會因為摩擦力（空氣阻力和與軌道的接觸的結合）而減速。如果能量既不被創造也不被毀滅，那麼這些能量去了哪裡？它被轉化為熱能。這就是為什麼你可以摩擦雙手來使它們變暖——摩擦力將你移動的手的能量轉化為熱能！
能量守恆是否限制了過山車的運動？例如，過山車能透過比其初始坡更高的環形軌道嗎？嘗試這個專案找出答案！
材料
泡沫管保溫材料（直徑1.5英寸，至少6英尺長——如果您想最終為您的過山車新增更多功能，則需要更長）
至少一個玻璃彈珠（或其他可以輕鬆滾過泡沫絕緣材料的小而重的球，例如金屬滾珠軸承）
美紋紙膠帶
美工刀
桌子或椅子
成人幫手
準備工作
請成人使用美工刀將管道保溫材料縱向切成兩半，形成兩個U形通道。
步驟
將一段管道保溫材料的一端捲成環狀，直徑約為1英尺。
使用美紋紙膠帶固定環狀，並將其貼上到環狀兩側的地板上。確保膠帶沒有阻擋通道內部（內部有膠帶是可以的，只需確保將其壓平在泡沫上，並且不會阻擋彈珠）。
將管道保溫材料的自由端貼上到桌子或椅子上，形成一個通向環形軌道的大坡。
將你的彈珠放在離坡底幾英寸的位置並釋放它。彈珠能透過環形軌道嗎？
將你的彈珠向上移動幾英寸並再次釋放。重複這個過程，直到彈珠完全透過環形軌道。彈珠透過環形軌道所需的起始位置需要多高？是低於、相同高度還是高於環形軌道的頂部？
如果需要使坡度更高，請將兩段管道保溫材料首尾相連地貼上在一起，並從更高的高度繼續嘗試。
你能描述一下在你的彈珠沿著“過山車”軌道執行的過程中，能量是如何變化的嗎？
附加內容：為你的過山車新增其他功能，例如扭曲、轉彎和螺旋。彈珠需要多高的坡度才能在不停止的情況下透過所有功能？
附加內容：仔細觀察你的彈珠並觀察其速度。彈珠在哪裡速度最快？在哪裡速度最慢？
附加內容：在你的過山車末端的環形軌道底部新增一段直軌道。彈珠在摩擦力使其停止之前會滾動多遠？
觀察與結果
你應該已經發現，彈珠必須從高於環形軌道頂部的位置開始，才能完全透過環形軌道。這是因為當彈珠沿軌道滾動時，總會因摩擦力而損失一些能量。你需要將彈珠從高於環形軌道頂部的位置開始，這樣它才有足夠的額外能量完全透過環形軌道而不會停止。
如果你仔細觀察彈珠，你可能會看到它在進入環形軌道之前，在坡底的速度最快。當彈珠沿坡向下滾動時，其勢能轉化為動能（其高度降低，但其速度增加）。當彈珠再次向上進入環形軌道時，其高度再次增加，速度降低，將動能轉化為勢能。如果你在環形軌道底部添加了一段直軌道，你可以觀察到彈珠如何由於摩擦力而逐漸滾動停止。
你新增到軌道上的功能越多，彈珠需要更多的初始勢能才能在不停止的情況下透過所有這些功能。你可能會注意到，當彈珠快速移動時，管道保溫材料會彎曲和彎折——這也會導致彈珠損失一些能量（彎曲保溫材料需要能量）。透過將軌道貼上到支撐物（如盒子或傢俱）上來使其更堅固，將有助於避免這種能量損失，從而使你的彈珠走得更遠。
更多探索
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彈珠過山車：環形軌道需要多高？ 來自科學夥伴
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本活動由科學夥伴合作呈現
