高空扔雞蛋實(shí)驗(yàn)

高空扔雞蛋實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)兼具物理理論與操作實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，可以促進(jìn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能的提高，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。通過(guò)做實(shí)驗(yàn)的方式去見(jiàn)證科技的力量，明白科學(xué)道理。

眾所周知，生雞蛋是比較容易打破的，要想從高處扔下而不碎掉，必須有特殊的裝置保護(hù)雞蛋順利到達(dá)地面?！半u蛋撞地球”項(xiàng)目的比賽現(xiàn)場(chǎng)，參賽的同學(xué)們需要運(yùn)用平時(shí)所學(xué)的科學(xué)知識(shí)，并且借助生活中常見(jiàn)的物料，收集制作成特殊裝置，來(lái)保護(hù)雞蛋從五樓落下而不會(huì)損壞。

一、比賽規(guī)則

高空扔雞蛋實(shí)驗(yàn)裝置可以選取任何材料，以任意方式進(jìn)行制作。比賽時(shí)，在無(wú)初速度情況下，從固定高度以靜止?fàn)顟B(tài)釋放裝置。實(shí)驗(yàn)裝置落地后，由裁判當(dāng)場(chǎng)打開(kāi)裝置，檢查雞蛋是否完好。若雞蛋破裂，則實(shí)驗(yàn)失敗。若雞蛋完好，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置稱重登記。最后，以實(shí)驗(yàn)裝置重量最輕者為獲勝方。

二、規(guī)則分析

（一）比賽獲勝的前提是雞蛋不破裂，其次才是稱重比較。所以實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是保證雞蛋的完好。

（二）保證雞蛋的完好只是過(guò)了第一關(guān)，還要保證實(shí)驗(yàn)裝置重量最輕都才能獲得最終的勝利，因此需要選用密度小的材料制作實(shí)驗(yàn)裝置。

（三）比賽一般會(huì)規(guī)定一個(gè)落地區(qū)域，雖然偏了不算犯規(guī)，但是規(guī)定區(qū)域外的落地環(huán)境與落地區(qū)域是有差別的，并不一定會(huì)比落地區(qū)域更好。因此，在比賽中要保證實(shí)驗(yàn)裝置降落在落地區(qū)域內(nèi)。

三、實(shí)驗(yàn)裝置理論分析

（一）降落傘增大空氣阻力降低下降速度。利用降落傘，使雞蛋連同整個(gè)裝置平穩(wěn)落地。這種方案是最容易想到，因?yàn)樘鴤?、宇宙飛船減速，都運(yùn)用了這個(gè)方法，效果很好，安全性極高，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置很受易達(dá)到以較小的速度勻速下落。降落傘因其出色的減速性能和極輕的重量，在此次實(shí)驗(yàn)中是值得考慮的方案。但它會(huì)受到外界的干擾，有不穩(wěn)定的因素存在。降落傘的穩(wěn)定性取決于當(dāng)時(shí)的風(fēng)向風(fēng)速。受大氣擾動(dòng)影響太厲害，會(huì)使實(shí)驗(yàn)裝置飄忽不定，準(zhǔn)確性較差，往往不能落到指定位置，從而影響了比賽成績(jī)。降落傘的尺寸也是要重點(diǎn)考慮的因素，小了，降速太快，雞蛋落地可能會(huì)破碎。大了，降速慢，但重量大不利于最終取得好成績(jī)。需要選取重量較輕的材料制作降落傘。

（二）軟性包裹緩沖作用減少撞擊力。用較多的減震材料將雞蛋嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)地包裹起來(lái)。比如泡沫、棉花、各種軟性填充材料等。通過(guò)這些材料的緩沖作用，達(dá)到保護(hù)雞蛋的目的。由于所使用的材料都是密度極小的，所以可將整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的重量降到最低。用泡沫或其他軟性的材料包裹雞蛋，形成緩沖外殼。此方法增加空氣阻力，降低速度可以忽略不計(jì)，主要是增大作用時(shí)間，減小受力，形成緩沖效果。但美中不足的是：整個(gè)裝置是自由下落狀態(tài)，到達(dá)地面時(shí)的速度較大，因而對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的堅(jiān)固度和緩沖效果要求較高，安全性稍差一點(diǎn)。由于比賽的高度一般比較高，落地速度會(huì)很大。若是想單純地用泡沫緩沖，會(huì)使包裹變得很大、很沉，影響第二階段的稱重比較，所以一般不單獨(dú)使用。

（三）利用懸掛系統(tǒng)減少?zèng)_擊力。把整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置制作成一個(gè)多面體，將雞蛋用結(jié)實(shí)的繩子固定在多面體的中央，使整個(gè)雞蛋懸空。當(dāng)實(shí)驗(yàn)裝置落地時(shí)，不論哪個(gè)面著地，懸掛系統(tǒng)可以較好地減小慣性，避免雞蛋碰撞到地面造成破壞碎。這種方案無(wú)需額外的材料，只需要制作多面體的骨架和幾根線即可，用料極其節(jié)省，因而重量會(huì)大大降低。因受空氣阻力較小，所以穩(wěn)定性較好。但這種方案也有一個(gè)大的缺點(diǎn)就是對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)要求較高，制作難度較大，多面體不易扎制，輕量化控制不易實(shí)現(xiàn)。如果實(shí)驗(yàn)裝置不夠穩(wěn)固，落地后雞蛋可能會(huì)被撞碎，造成實(shí)驗(yàn)失敗。

四、選取最佳實(shí)驗(yàn)裝置

在以上實(shí)驗(yàn)裝置理論分析中，最后一種對(duì)設(shè)計(jì)制作均有較高的要求，想要實(shí)現(xiàn)難度較大。第一種與第二種較易實(shí)現(xiàn)，但也是各有利弊，必須綜合運(yùn)用才能達(dá)到最佳的效果。通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩種最佳實(shí)驗(yàn)裝置，材料容易得到，制作簡(jiǎn)便。

（一）軟性包裹加降落傘的疊加設(shè)計(jì)理念。將泡沫削成蛋形包住雞蛋，用四個(gè)塑料袋當(dāng)作降落傘，捆綁在泡沫上，形成一種組合體。塑料袋做成的降落傘可以減緩下降速度，在實(shí)驗(yàn)裝置落地時(shí)泡沫又能起到減緩沖擊的作用。

（二）氣球加紙杯的疊加設(shè)計(jì)理念。紙杯中間塞入少許緩沖物質(zhì)（例如棉花）包裹住雞蛋，在紙杯的底部和頂部，用膠帶各粘上一個(gè)氣球。實(shí)驗(yàn)裝置在下落過(guò)程中，氣球起到與降落傘一樣的降低下落速度的作用，同時(shí)在落地時(shí)也能起到緩沖作用。紙杯中間的軟性物質(zhì)可以包裹住雞蛋，落地時(shí)也能起到緩沖作用。

五、實(shí)驗(yàn)理論依據(jù)

（一）動(dòng)量定理，動(dòng)力學(xué)的普遍定理之一。內(nèi)容為物體動(dòng)量的增量等于它所受合外力的沖量即Ft=mΔv，即所有外力的沖量的矢量和。其定義為：如果一個(gè)系統(tǒng)不受外力或所受外力的矢量和為零，那么這個(gè)系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變，這個(gè)結(jié)論叫做動(dòng)量守恒定律。雞蛋所受的力F與力的作用時(shí)間t成反比，即t越大，F(xiàn)就越小，作用在雞蛋上的力就越小。因此，增大力的作用時(shí)間t，雞蛋就不容易碎了。

（二）由空中垂直下落的物體所受空氣阻力f與空氣的密度ρ、物體的有效橫截面積S、下落的速率v的平方成正比，阻力的大小可表示為f=CρSv?，其中C為阻力系數(shù)，一般在0.2—0.5之間，ρ=1.2kg/m?，物體下落經(jīng)過(guò)一段時(shí)間將達(dá)勻速，稱為終極速率。因此，利用降落傘裝置來(lái)增大有效橫截面積，進(jìn)而增大物體所受的空氣阻力，也是防止雞蛋摔破的一種思路。

（三）減小慣性帶來(lái)的破壞。牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律，又稱慣性定律、惰性定律。常見(jiàn)的完整表述：任何物體都要保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到外力迫使它改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置落地的一瞬間，裝置靜止，但是雞蛋由于慣性，還會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，造成與裝置的擠壓、碰撞，容易使雞蛋破碎，因此在雞蛋外面包裹上泡沫等軟性材料是必需的。

六、總結(jié)分析

高空扔雞蛋，看似不可能的事情。經(jīng)過(guò)理論分析與操作實(shí)踐后，變成了現(xiàn)實(shí)。不需要購(gòu)買額外的材料，利用家里最常見(jiàn)的材料就能開(kāi)展非常有趣的物理實(shí)驗(yàn)。在動(dòng)手制作的過(guò)程中，面對(duì)各種層出不窮的意外而實(shí)際的問(wèn)題，真正鍛煉了思維、培養(yǎng)了解決問(wèn)題的能力。

作者簡(jiǎn)介

宿方遒，男，黑龍江哈爾濱，哈爾濱市第122中學(xué)。