教室竟變成冰壺場!?用乾冰親身體驗『零摩擦』的物理學(慣性定律)

我是科學教練桑子研。每天都是一場實驗。

試想一下,如果這個世界上「摩擦力」突然消失,物體會怎麼運動呢?課本裡有提到「慣性定律」:如果物體不受外力影響,它就會永遠保持原來的速度直線運動。但這個定律,我們在日常生活中卻很難親身體會到。這是因為,在地球上,永遠都有一個搗蛋鬼——「摩擦力」在作怪。

一般來說,學校上課可能會用到專門的滑軌來做實驗,但學生常常覺得這只是「實驗室裡才有的特例」,跟日常生活沒什麼關係。而且,要幫每個小組都準備昂貴的儀器,在預算上也很吃緊。所以,我要向大家推薦一個超棒的方法:「乾冰」實驗!在超市或蛋糕店能拿到的乾冰,就能成為改變你物理常識的魔法道具喔!

為什麼乾冰會變成「氣墊船」?

乾冰是冷卻凝固的二氧化碳。當我們把它放到常溫的房間裡,它不會先變成液體,而是直接變成氣體,這個現象就叫做**「昇華」**。那麼,這個時候乾冰和桌面之間到底發生了什麼事呢?乾冰底部會噴出大量的二氧化碳氣體,在它和桌面之間形成一層薄薄的氣墊。

簡單來說,乾冰就是靠著自己釋放的氣體,讓它微微懸浮在空中。這原理就跟靠空氣動力浮起來前進的**「氣墊船(Hovercraft)」一模一樣**!

因為乾冰懸浮著,它跟桌面之間的摩擦力會降到幾乎為零。你只需要用手指輕輕一推,它就會像在無重力空間一樣「咻~」地滑出去,那個畫面超級震撼!今天,我們就利用這個現象,來邊玩邊學「等速直線運動」吧!

科學食譜(實驗準備)

準備材料:乾冰約 1 公斤、每組一台 iPad

※ 關於乾冰,建議大家可以查一下附近有沒有製冰廠或冰店。我常常光顧的是「旭冰業」。http://www.icenet.or.jp/asahi/

這類老字號冰店,乾冰可以從 1 公斤開始買,大約 500 日圓(約新台幣100多元)。當然,現在很方便,在 Amazon 上也能買到。

【教師小提醒】 乾冰就算放在冷凍庫裡,昇華作用還是會持續進行,大約兩天左右 1 公斤就會消失光了。購買時的小撇步是:盡量選在接下來幾天都有課的時候請店家送達。

實驗方法:親身體驗零摩擦的世界

① 將乾冰敲碎成大約 5 公分左右的立方體,分發給各組(用鐵鎚等工具敲碎)。形狀隨意即可。

② 在水平的桌面上試著讓它滑動看看。 【小撇步】 如果手邊有乙醇(酒精),可以噴灑在乾冰底部讓它稍微濕潤,這樣會滑得更順!因為酒精不容易結凍,能形成一層更平滑的薄膜。

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咻~

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咻咻~

實際的滑動情況,請務必點開影片欣賞!那種滑順感,保證讓你心情舒暢!

③ 讓我們也來運用一下現代科技吧!用 iPad 搭配定格動畫(Stop Motion)之類的 App 來進行拍攝。

下面的照片是學生實際拍攝的成果。從照片中物體保持等間距來看,「速度沒有改變(等速)」且「沿著直線前進(直線)」,是不是一目瞭然呢!

順便來玩乾冰冰壺吧!

學習告一段落後,別忘了在遊戲中發掘科學的樂趣!難得準備了乾冰,只拿來做實驗就太可惜了!我們把教室變成冰壺(Curling)場地吧!

準備材料:

乾冰、膠帶、鐵鎚、工作手套

步驟:

① 用膠帶在桌上貼出一個靶心,這就是冰壺場地中的「大本營」(House)的替代品。

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也別忘了做出發點!

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② 用鐵鎚將乾冰敲成適當的大小。

【安全注意事項】 這個步驟請務必戴上工作手套。乾冰的溫度極低,達到零下 79 度,徒手觸摸可能會造成凍傷。如果跟小朋友一起進行,大人一定要在旁陪同。

③ 戴上手套,將乾冰從起點推出去。滑進中心紅線框內得 100 分,滑進外圈得 50 分,每人推 5 次,比看看誰的總分最高。

力量控制稍微沒抓好,乾冰可能就會推太遠或根本推不到。你可以藉此親身感受到「慣性」和「微弱摩擦力」之間的拉鋸戰。

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