硬幣翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象及其探究

顧江鴻

摘 要： 硬幣翻轉(zhuǎn)是生活情境中值得探究的物理現(xiàn)象.把一枚五角硬幣夾在兩枚一元硬幣之間，用一只手的拇指和食指捏著，水平放置，讓下面兩枚硬幣下落到另一只手的手面上，落下后發(fā)現(xiàn)硬幣發(fā)生了翻轉(zhuǎn).通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，釋放方式和釋放高度影響硬幣下落時(shí)的翻轉(zhuǎn).

關(guān)鍵詞： 硬幣翻轉(zhuǎn);科學(xué)探究;力矩;情境學(xué)習(xí)

國(guó)際科學(xué)教育專家Derek Hodson[1]認(rèn)為科學(xué)教育的目的是學(xué)習(xí)科學(xué)（learning science）、學(xué)習(xí)理解科學(xué)（learning about science）、做科學(xué)（dong science），科學(xué)探究是實(shí)現(xiàn)這一綜合目的的有效方法.科學(xué)教師是科學(xué)界在課堂上的代表[2]，教師對(duì)科學(xué)和科學(xué)探究的理解，教師科學(xué)探究的意識(shí)和習(xí)慣，教師科學(xué)探究的范圍和深度將決定課堂上物理課程的科學(xué)形象，決定學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高度，決定物理核心素養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成度.本文介紹利用身邊最常見的硬幣進(jìn)行探究的過程，供各位探究、教學(xué)、討論用，以期引起大家對(duì)生活情境的關(guān)注，從生活情境中找出生成的有價(jià)值的探究問題[3].

1 提出問題

用硬幣演示的物理現(xiàn)象很多，如硬幣跳高、一枚硬幣能裝多少滴水，硬幣“浮”在水面上，消失的硬幣（把硬幣放在裝有水的玻璃杯下面，從玻璃杯的側(cè)面將看不到硬幣），硬幣厚度、質(zhì)量、體積的估算，硬幣的電磁感應(yīng)、磁化、磁屏蔽等等.硬幣翻轉(zhuǎn)也是很有探究?jī)r(jià)值的物理現(xiàn)象.找兩枚一元硬幣和一枚五角硬幣，把五角硬幣放兩枚一元硬幣中間，三枚硬幣摞在一起.用一只手的大拇指和食指捏住這三枚摞起來的硬幣;微張兩手指，讓下面兩枚硬幣落下，最上面的一元硬幣不動(dòng);讓硬幣落在另一只手的手面上，兩手相距約20厘米.你會(huì)發(fā)現(xiàn)，原來在上面的五角硬幣現(xiàn)在在一元硬幣的下面.這是偶然現(xiàn)象，還是必然規(guī)律？是什么因素造成硬幣翻轉(zhuǎn)？

2 提出假設(shè)

在教學(xué)中學(xué)生對(duì)硬幣翻轉(zhuǎn)的原因有很多假設(shè)，歸納起來有以下幾種.（1）五角硬幣在一元硬幣上的位置.五角硬幣在一元硬幣的正中心，下落時(shí)不翻轉(zhuǎn);不在中心，壓力不平衡導(dǎo)致翻轉(zhuǎn).（2）兩硬幣的重心位置.五角硬幣在一元硬幣的上面，五角的重力小于一元，兩者在一起的重心靠近一元硬幣，在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)，重心在后面，就如毽子在飛起、下落過程中，重的部位在前面，雞毛在后面一樣.（3）硬幣的數(shù)量.翻轉(zhuǎn)的情況與釋放的硬幣數(shù)有關(guān)，釋放1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)不同數(shù)量的硬幣，翻轉(zhuǎn)情況不同.（4）硬幣的大小.五角與一元硬幣的大小不同，釋放時(shí)導(dǎo)致翻轉(zhuǎn).（4）和（2）有相似之處，但不相同，（2）考慮的是重量，而（4）考慮的是大小.（5）釋放硬幣的方式.釋放硬幣時(shí)，是一根手指先釋放硬幣，導(dǎo)致硬幣不同部位下落的時(shí)間不同，如果兩手指同時(shí)釋放，將不翻轉(zhuǎn).（6）釋放的高度.高度不同，翻轉(zhuǎn)的情況不同.（7）流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系.在釋放時(shí)，由于硬幣下落的速度不同，導(dǎo)致空氣的壓力不同，引起翻轉(zhuǎn).

3 實(shí)驗(yàn)方案

每個(gè)假設(shè)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案不盡相同，但都需根據(jù)假設(shè)設(shè)計(jì)相應(yīng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn).如上面假設(shè)（1）五角硬幣在一元硬幣上的位置，可以把五角硬幣固定在一元硬幣的中心和邊緣不同位置進(jìn)行比較.假設(shè)（2）可以把五角硬幣換成一元硬幣等等.在操作時(shí)，用毛巾代替手，減少硬幣落下時(shí)的跳動(dòng);每種情況需多次釋放，避免硬幣跳動(dòng)等情況帶來的誤差，如每種情況釋放20次;必要時(shí)控制釋放硬幣的高度等等.探究中需要的材料有硬幣、厚毛巾、直尺、塑料膠帶（固定硬幣）等.

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

（1）硬幣的釋放方式與疊放方式實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

下面對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行展示.表1是在釋放高度不變的情況下，釋放方式與疊放方式兩個(gè)假設(shè)組合在一起的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).疊放方式有三種模式，模式A有三個(gè)硬幣，模式B有一個(gè)一元硬幣和一個(gè)五角硬幣，模式C只有一枚一元硬幣.每一模式下又包括從拇指、食指處釋放，和兩手指同時(shí)松開三種釋放方式.每一組別釋放100次.

4.2 不同高度翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)

為了考察釋放高度對(duì)硬幣翻轉(zhuǎn)的影響，從10厘米開始，以10厘米為間隔長(zhǎng)度，一直測(cè)到190厘米，用毛巾代替手面，硬幣落在毛巾上.具體數(shù)據(jù)見表2.

5 結(jié)論與論證

表1數(shù)據(jù)顯示，硬幣翻轉(zhuǎn)與硬幣的疊放方式無關(guān)，與釋放的方式有關(guān).當(dāng)硬幣從一邊下落，硬幣翻轉(zhuǎn);從兩邊同時(shí)下落，硬幣不翻轉(zhuǎn).表1中第3組數(shù)據(jù)顯示，翻轉(zhuǎn)與不翻轉(zhuǎn)次數(shù)基本一樣，這是由于在上面一元硬幣不落下的情況下，很難讓下面兩個(gè)硬幣同時(shí)下落.表2數(shù)據(jù)顯示，硬幣的翻轉(zhuǎn)與釋放的高度有關(guān)，在約30厘米處硬幣翻轉(zhuǎn);在約140厘米處，硬幣不翻轉(zhuǎn).從表2數(shù)據(jù)可以推測(cè)硬幣是轉(zhuǎn)動(dòng)著下落的，在140厘米處翻轉(zhuǎn)兩次，從硬幣朝上的面判斷好像沒有翻轉(zhuǎn).觀看硬幣下落視頻可以看出硬幣在下落時(shí)是不斷翻轉(zhuǎn)的，在約140厘米處翻轉(zhuǎn)兩次.

為了進(jìn)一步驗(yàn)證釋放方式對(duì)硬幣翻轉(zhuǎn)的影響，改用電磁鐵來釋放，用電磁鐵吸住一個(gè)五角硬幣和一個(gè)一元硬幣的中心，五角在上面，一元在下面.斷開開關(guān)，硬幣下落，硬幣不翻轉(zhuǎn)，改變釋放高度，硬幣仍不翻轉(zhuǎn).這為釋放方式導(dǎo)致硬幣翻轉(zhuǎn)找到新的證據(jù).

從一邊釋放硬幣時(shí)，由于硬幣的另一邊還沒有離開手指，這時(shí)重力對(duì)硬幣產(chǎn)生力矩，這一力矩使得硬幣翻轉(zhuǎn)，可以把這一力矩產(chǎn)生角速度的理論值與通過精確測(cè)量得到的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較來進(jìn)一步研究硬幣翻轉(zhuǎn)的原因.

參考文獻(xiàn)：

[1] Derek Hodson.learning science，learning about science：different goals demand different learning methods[J].International Journal of Science Education， 2014，36（15）：534-553.

[2] （美）國(guó)家研究理事會(huì)著，戢守志等譯.美國(guó)國(guó)家科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1991.

[3] 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.