數據漂亮到讓人感動!用軌道和彈珠,揭開位能與功的關係
大家好，我是科學訓練師桑子研。
「位置高的物體，身上帶著能量」
要驗證位能，用打樁器來做實驗，大概是最直覺、最好懂的方法。只不過有個小缺點：這個打樁器實在不便宜。
我自己也買了一台，用起來確實測得又漂亮又好懂。可是要一口氣準備8組的份，荷包真的會哭。想要自己動手做、省點預算的話，就得靠窗簾軌道或線槽來自製實驗器材了。成品長這樣：
做法是讓彈珠從高處滾下來，撞上當作目標的電池，再量電池被撞出去多遠。這個實驗有個容易讓人搞混的地方：明明是想測位能，學生卻會覺得自己測的其實是動能。打樁器也有同樣的問題，不過這個自製版本讓人有「在測動能」的感覺更明顯一點，這點我不否認。但它的優點是可以自己做，學校也很容易湊齊器材。
需要準備的東西・實驗裝置的架設方式
- 光滑的傾斜軌道：用線槽之類的材料就能做出來。
- 3種質量不同的球（彈珠、鋁球、黃銅球等）
- 電池（1號電池）（當作被球推著跑的「貨物」）
- 尺、膠帶、記錄紙（學習單）
實驗步驟與成功的訣竅
１ 準確量出起始高度
放球之前，先量好球心的高度。
２ 改變高度讓球滾下來，量出1號電池被推動的距離
高度可以分成4個階段，例如 5cm、10cm、15cm、20cm。這時候最重要的是，要請學生「視線放低」「彎下腰」「輕輕放手」。為什麼呢？因為位能的大小是由「高度」決定的，起始高度要是不準，就拿不到可靠的數據。
把電池放在斜面下方當作「貨物」。球帶著的能量，到底能把這顆電池推出去多遠？只要量它移動的距離，就能知道「球做了多少功」。看不見的能量，就這樣變成了「移動距離」這個看得見的結果，這一刻真的超神奇！
實驗的實際過程，請看這支影片。
另外，實際計算位能的時候，要算的不是「高度」，而是「落差」，這是個重點。
先量出桌面到球心的高度，這次是3.7cm。
接著，把球放在例如20.0cm的高度放手。
這時真正能轉換成動能的位能所對應的落差就是
20.0-3.7=16.3cm
漂亮得驚人！實驗結果與討論
這是學生們實際做出來的實驗結果。
我請他們根據這些結果畫出2種圖表。
圖表1：高度與電池移動距離的關係（質量固定）
由下往上依序是彈珠、鋁球、黃銅球。
也有學生像右圖那樣畫出了趨勢線，不過兩個班共16組裡，只有1組有這麼做。
圖表2：球的質量與電池移動距離的關係（高度固定）
例如從上面的圖表中，取出高度12cm那條線所對應的電池移動距離，
再畫成圖表，就會變成下面這樣。
有些學生因為數據點太少，把它看成像右圖那樣的二次函數。
不過大部分的學生還是看出了「與高度、質量都成正比」的關係。這裡的關鍵是，我刻意選了質量差很多、又大又重的球。
課本上那句「位能與高度、質量成正比」，現在竟然在自己親手畫出來的圖表上現身了，學生們看起來都恍然大悟、打從心底服氣。
學習單
我也準備了給學生記錄與討論用的學習單，歡迎大家自由取用。
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