關鍵概念
質量
質心
平衡
物理學
遊戲
導言
你有沒有在嘉年華上玩過遊戲，試圖贏得毛絨玩具或其他獎品？它看起來可能很容易——直到你嘗試了。為什麼集市、嘉年華和狂歡節上那些“簡單”的遊戲如此困難？真的是缺乏技巧或協調性，還是那些中途擺攤的商販利用一些基本的科學定律來幫助他們設定遊戲，從而讓他們佔優勢？在這個科學活動中，你將研究物理學如何幫助你在經典的投球擊倒牛奶瓶金字塔遊戲中獲勝或失敗。
背景
為什麼在嘉年華或集市上，幾乎不可能擊倒球瓶或擊中正確的目標來贏得那個巨大的毛絨玩具——尤其是當它看起來如此容易時？為了回答這個問題，在這個活動中，我們將研究經典的嘉年華遊戲，有時被稱為“一球定勝負”，其中牛奶瓶堆疊成金字塔形，你可以投擲一次球來嘗試將它們全部擊倒。為了戰勝這個遊戲，思考重新分配物體的質量如何影響其平衡性是很有用的。例如，當你在身前掛著一個沉重的揹包時，站在平衡木上可能很容易，但當揹包在你背上時，就更具挑戰性了。
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物體的質量分佈會影響其質心，質心是物體大部分質量的平均位置。這基本上意味著，如果質量在頂部和底部均勻分佈（通常球就是這樣），則質心將位於物體的中心。如果質量分佈不均勻，則質心將移向物體較重的一側。因此，對於金字塔來說，質心將遠低於其物理中心，因為更多的質量位於下半部分。
材料
一個非常大的房間或室外區域（你需要充足的空間，這樣你就可以扔球而不會擊中任何人或任何東西。）
一張小型穩固的桌子
遮蔽膠帶、棍子、石頭或類似的物體，用於標記投擲距離
網球或棒球
三個裝滿水的塑膠瓶，形狀和大小都相同（確保你可以將瓶子穩定地堆疊成金字塔形。大多數 16.9 液體盎司的飲用水瓶應該都能很好地勝任。）
食用色素（可選）
準備工作
將每個瓶子裝滿水。每個瓶子中的水量應該相同。
如果你願意，你可以從瓶子上取下標籤，並在每個瓶子中新增一些食用色素（三滴），為你的嘉年華遊戲增添色彩。如果你在瓶子中新增食用色素，請確保你在測試時，即使瓶子灑出一些染色水也不會有問題！（如果你使用染色水，建議你在戶外進行此活動。）
將你的材料帶到非常大的房間或室外區域，你可以在那裡設定你的迷你嘉年華遊戲。
將小桌子放在距離你的“投擲線”一定距離的地方。你可以嘗試距離桌子大約八英尺。使用一塊遮蔽膠帶、石頭、棍子或類似的物體標記投擲線。
步驟
確保水瓶蓋已擰緊。將三個瓶子堆疊成穩定的金字塔形放在桌子上，底部兩個瓶子，頂部一個瓶子，位於它們之間居中，並 resting 在它們的蓋子上。你的金字塔有多穩定？
從你的投擲線，向瓶子金字塔投擲網球（或棒球）。你擊中任何瓶子了嗎？如果是，擊中了哪個瓶子？有多少個瓶子被擊倒了？
將金字塔恢復到之前的樣子放在桌子上。
重複此過程，直到你至少用球擊中金字塔 10 次。儘量每次都以相同的方式投擲球，並嘗試擊中每個瓶子幾次。通常有多少個瓶子被擊倒？似乎取決於你用球擊中了哪個瓶子嗎？如果是這樣，你需要擊中哪個瓶子才能擊倒最多的瓶子？
現在從金字塔上取下頂部瓶子，並將裡面的水倒空。將瓶子堆疊成穩定的金字塔形放在桌子上，頂部放空瓶子。這個金字塔看起來有多穩定？
像之前一樣，從投擲線向金字塔投擲球至少 10 次，每次投擲後都在桌子上重新排列金字塔。再次嘗試每次都以相同的方式投擲球，並嘗試擊中每個瓶子幾次。現在通常有多少個瓶子被擊倒？擊中某個瓶子（或某些瓶子）是否傾向於擊倒最多的瓶子？
從金字塔上取下一個底部瓶子，並將裡面的水倒空。將瓶子堆疊成穩定的金字塔形放在桌子上，底部兩個空瓶子，頂部一個裝滿水的瓶子。這個金字塔看起來有多穩定？
像之前一樣，從投擲線向金字塔投擲球至少 10 次，每次投擲後都在桌子上重新排列金字塔。再次嘗試每次都以相同的方式投擲球，並嘗試擊中每個瓶子幾次。在這種金字塔排列方式下，通常有多少個瓶子被擊倒？擊中某個瓶子（或某些瓶子）是否傾向於擊倒最多的瓶子？
總的來說，哪種金字塔排列方式導致所有三個瓶子都被擊倒的投擲次數最多？換句話說，哪種排列方式最成功？哪種最不成功？應該擊中哪個瓶子才能使最多的瓶子倒下？
額外內容：你可以重複此活動，但這次你可以量化你的結果。也就是說，在測試每種金字塔排列方式時，寫下每次擊中哪個瓶子以及有多少個瓶子被擊倒。如果你量化你的結果，一種金字塔排列方式與另一種相比“成功”多少？擊中一個瓶子與擊中另一個瓶子相比好多少？
額外內容：嘗試將投擲線移近金字塔或遠離金字塔。你與金字塔的投擲距離如何改變你擊倒它的成功率？
額外內容：你可以使用木塊代替瓶子，並將它們排列成不同的配置，例如將所有三個堆疊在一起。使用木塊，哪種配置最容易擊倒？哪種最難？
觀察和結果
當金字塔排列成底部兩個空瓶子（頂部一個裝滿水的瓶子）時，它是否最容易倒塌？擊中底部瓶子通常是最好的方法嗎？
很多人最初可能認為你製作的第一個瓶子金字塔的質心位於結構的中間（頂部瓶子 resting 在底部瓶子上的位置）。但在這種配置中，所有瓶子都裝滿相同的水，它實際上更接近底部兩個瓶子的中間——因為底部有兩個瓶子，金字塔底部的質量比頂部更大。因此，質心更靠近金字塔的底部。在第二個金字塔排列方式中，質心變得更低，因為與頂部相比，更多質量位於金字塔的底部。在第三個金字塔排列方式中，質心變得更高——在頂部瓶子的某個位置。
你應該已經發現，第三個金字塔，其質心較高，是最容易擊倒且最不穩定的一個，很可能當球碰到其中任何一個時，所有三個瓶子都會倒下。另一方面，第二個金字塔，其質心較低，可能最難完全擊倒。一般來說，擊中底部瓶子之間的較低區域（低於金字塔的質心）應該是擊倒整個金字塔最成功的方法。除了第三個金字塔外，擊中頂部瓶子可能只會將頂部瓶子從金字塔上擊落，留下另外兩個瓶子仍然站立。
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