國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

科學遊戲實驗室   回首頁   

慣性與摩擦力

蘊含豐富物理概念的簡易實驗
器材:寶特瓶、紙鈔、竹筷
操作步驟與現象:

本實驗是相當古老的遊戲,就是將二個瓶子之間的紙鈔抽出來,瓶子不能倒下來。這個遊戲蘊含的物理原理,相當值得深思,很適合親子或師生一起動腦筋。玩法如下:

1.取二瓶寶特瓶,一瓶裝滿水,另一瓶裝半滿水。將裝滿水的瓶子放在下面(如圖一下方,以食用色素染為綠色),裝半瓶水的瓶子放在上面(如圖一紅色瓶子)。並且將一張千元(或百元)紙鈔,放在二個瓶子中間。

2.遊戲的任務是將紙鈔抽出來,但是:手不可以碰到瓶子任何部位,上面的瓶子不可以掉下來,更不能使紙鈔破損。

如果用手快速的將紙鈔直接抽出來,如圖一,上面的瓶子經常會掉下來,成功率很低。想要成功地將紙鈔拿出來,有二個方法。

第一個方法如圖二,左手輕輕捏著紙鈔一端,右手拿竹筷,將竹筷舉高,然後如同切菜一般快速的往下切,紙鈔就可以成功地拿出來。如果沒有竹筷,也可以用食指代替。請留意左手拿著紙鈔只要「捏緊」即可,不可以有「抽出紙鈔」的動作。

第二個方法則需要耐心與細心(建議坐下來方便操作),如圖三,將紙鈔捲成小卷,慢慢的捲到紙鈔與瓶蓋接觸(手不要碰到瓶子)。然後持續捲動紙鈔,利用紙鈔阻擋瓶子掉下來。過程中要隨時注意瓶子的位移,如果瓶子的位置有變動,輕輕拉動紙鈔控制瓶子,讓瓶子一直保持在正中央。

 

上述的操作,位於上面的瓶子只裝半瓶水,如果改成裝滿水(如圖四)或是空瓶(如圖五),要取出紙鈔,困難度有差別嗎?另一方面,一百元、五百元和一千元的紙鈔,成功率會有差別嗎?聰明的讀者想一想,再動手實驗,解答就在「原理」中。

   

 觀看實驗影片(33.77M   

原理

本實驗的原理主要為「慣性」和「摩擦力」。「慣性」是物體抵抗其運動狀態被改變的性質,亦即物體維持原有狀態的傾向(動者恆動、靜者恆靜)。而物體的質量越大,其慣性就越大,例如原來靜止的物體,質量越大的物體越容易保持靜止(需要更大的作用力才能改變靜止狀態)。因此希望上面的瓶子維持不動,則質量就要大,也就是裝的水量就要多。

但是瓶子裝的水越多,越容易遭遇一個不利因素:摩擦力。因為瓶子的質量越大,重量也越大,和紙鈔之間的摩擦力就會變大,當摩擦力太大時,就容易使瓶子改變原有的靜止狀態而掉下來!

總結而言,上面的瓶子裝水越多,慣性越大,越有利於維持靜止,但是瓶蓋和紙鈔之間的摩擦力也會增加,不利於保持靜止。反之,裝的水越少,慣性越小,不利於維持靜止,但是摩擦力比較小,有利於保持靜止。因此瓶子要裝多少水才合適,很難直接猜測,必須經過實驗才能確知。另一方面,不同紙鈔的影響是「摩擦力」,新鈔比較光滑,越容易成功。而一千元紙鈔比較大張,有利於操作,手比較不會碰到瓶子。

另外還有一個問題須要討論:將紙鈔抽出來時,瓶子與紙鈔有相對運動,因此有「動摩擦力(kinetic friction)」,實驗結果顯示抽紙鈔的速度,會影響瓶子會不會掉下來。這現象是否顯示了動摩擦力不是固定的,速度越快動摩擦力就會越小?但是由摩擦力定律指出:摩擦力大小只和正向力有關,與接觸面積無關,而且與物體的速度也無關(參考資料1、2)。本實驗的實驗結果應該如何解釋呢?黃坤福教授在「物理教學示範實驗教室」(參考資料3)以動量變化來解釋這個問題,因為ΔP=F·Δt(動量變化=摩擦作用力·作用時間),亦即速度越快,摩擦力的作用時間(Δt)就會變小,因此造成的動量改變(ΔP)就比較小,所以瓶子在動量改變不大的情況,就容易維持原有狀態不會掉下來。

值得注意的是,Braun & Peyard(2011)指出雖然動摩擦力與物體的速度無關,但這只是大約符合而已,因為牽涉的因素相當複雜,要清楚釐清動摩擦力與速度的關係,仍有待更多更深入的研究(延伸閱讀如參考資料4~6)。

叮嚀的話:

1.不同型式的寶特瓶,瓶蓋的平整性有所差別,必須挑選瓶蓋完全平整的寶特瓶,避免二個寶特瓶疊起來時歪斜。

2.建議不要使用玻璃瓶,以免掉下來破裂割傷的危險。

3.快速切下來的方法,用竹筷比起用食指成功率更高,用食指比較容易碰到瓶子而倒下來。另一方面,操作會失敗的常見因素之一是:捏著紙鈔的左手,常會有抽拉的動作。請記得左手只要捏緊就好,不要抽拉!

4.本實驗一開始裝半滿水,是版主實驗後的結果,目的是要呈現出「直接抽出紙鈔無法成功,用筷子可以成功」的現象。如果讀者指導小朋友進行本實驗,建議先自行試驗最適合的水量,讓小朋友在直接抽出紙鈔時無法成功,再思考解決問題的方法。

5.教師在教學上的運用,建議以問題解決的方式進行,先進行只裝半瓶水的操作,請學生上台操作嘗試(適合國小低年級以上)。再發問瓶子裝滿水或是不裝水是否也可以成功?請學生預測並說明理由,再進行驗證是否符合自己的「假說」(hypothesis)?(適合國中以上)

6.可以指導學生討論的其他問題如下:(1)下面的瓶子一定要裝滿水,為什麼呢?(2)如果瓶蓋用雙面膠貼上砂紙,成功率會增加還是降低,為什麼呢?(3)瓶子裝半滿水,放進冰箱冷凍結冰(瓶底結冰),實驗時再倒立放在上面,成功率會降低還是增加?為什麼?(提示:重心因素)

參考資料:

1.國家教育研究院,學術名詞暨辭書資訊網:摩擦定律。http://terms.naer.edu.tw/detail/1328399/

2.科技部高瞻自然科學教學資源平台:動摩擦力。http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=750

3.國立台灣師範大學物理系:物理教學示範實驗教室。http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/phpBB/viewtopic.php?topic=1837

4.格物致知-摩擦力。http://chiuphysics.cgu.edu.tw/yun-ju/cguweb/PhyChiu/H102NewtonLaw/Friction/FrictionTeachingGuide.htm

5.鄭劭家(2011)。微觀尺度下的摩擦力定律。科學研習,50(11),16-19。

6.Braun, O., & Peyrard, M. (2011). Dependence of kinetic friction on velocity: Master equation approach. Physical Review E: Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics,  83, 046129-1-9.