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关键概念
物理学
工程学
斜面
重力
动量
导言
你有没有看过弹簧玩具“走”下楼梯，并想知道它是如何工作的？ 这是一件令人着迷的事情，也是弹簧玩具吸引力的很大一部分。 这些弹簧玩具已经流行了半个多世纪； 你的父母，甚至祖父母，可能都玩过它们。 弹簧玩具不仅是有趣的玩具，它们也非常适合进行物理和工程活动。 在这项活动中，您将研究斜面的角度如何影响弹簧玩具在该平面上的行走效果。 哪个角度能使弹簧玩具走得最好？
背景
弹簧玩具是美国的经典玩具，也是物理研究的有趣工具。 然而，它最初的创造并非出于这些目的。 弹簧玩具的发明者是一位名叫理查德·詹姆斯（Richard James）的退役海军工程师，他在费城海军造船厂工作。 他最初认为，这种有弹性的弹簧在船上用于支撑灵敏仪器并在海上风暴中保持其稳定非常有用。 但在海军对他的弹簧不感兴趣之后，他的妻子贝蒂有了一个更好的主意——她想出了一个朗朗上口的名字，弹簧玩具于 1945 年诞生。
那么，弹簧玩具是如何“走”下楼梯的呢？ 要做到这一点，弹簧玩具会缓慢地翻滚。 如果你仔细观察，你会看到它伸展以到达下一个台阶，重塑自身，然后再伸展以到达下一个台阶，依此类推。 这个过程之所以可能，是因为重力和弹簧玩具自身的动量。 通过这种方式，弹簧玩具也可以在其他表面上行走，例如斜面，这是一种倾斜的表面，您将在本次活动中使用它。
材料
• 一张胶合板。 尽量找一块至少两英尺长、一英尺宽的。
• 一叠书
• 量角器
• 秒表
• 金属弹簧玩具（全尺寸，不是迷你弹簧玩具）
• 一张纸和一支钢笔或铅笔
• 助手
• 其他尺寸和类型的弹簧玩具（可选）
准备工作
• 为了制作可调节的斜面，将胶合板的一端窄边放在一叠书上，另一端放在地板上。
• 确保您有足够的不同厚度的书本，以便与斜面形成 25 度角。 这是您将测试的最大角度。 使用量角器测量平面底部与地面相交形成的角度。
步骤
• 调整斜面，使其角度为 15 度。 使用量角器确认平面底部与地面相交形成的角度。
• 让助手准备好秒表。
• 在斜面顶部，握住弹簧玩具，使其弯曲，形成倒 U 形。 让弹簧玩具的下部刚好接触平面。 （这可能意味着您将大约一半到三分之二的弹簧玩具线圈握在平面的上部。）您认为应该以这种方式握住弹簧玩具的原因是什么？
• 松开弹簧玩具，让您的助手计时弹簧玩具到达平面底部需要多长时间。 还要计算弹簧玩具在此期间翻转了多少次。 提示：确保弹簧玩具实际上是端对端翻转，而不是在平面上翻滚； 不要计算任何弹簧玩具翻滚的“行走”。
• 在这个角度下，弹簧玩具到达底部需要多长时间，它翻转了多少次？ 写下你的结果。
• 至少重复四次，每次都从斜面顶部的同一位置释放弹簧玩具，计时并计算其翻转次数。 在其他试验中需要多长时间，它翻转了多少次？ 写下你的结果。
• 调整斜面，使其角度为 20 度。 使用量角器确认这一点。
• 在 20 度角下重复实验五次，每次都从同一位置释放弹簧玩具，计时并计算其翻转次数。 在 20 度角下，弹簧玩具走下平面需要多长时间，它翻转了多少次？ 写下每次行走的結果。
• 使用量角器将斜面调整到 25 度角。
• 在 25 度角下重复实验五次，每次都从同一位置释放弹簧玩具，计时并计算其翻转次数。 在 25 度角下，弹簧玩具走下平面需要多长时间，它翻转了多少次？ 写下每次尝试的結果。
• 在哪个角度下，弹簧玩具在其行走过程中翻转次数最多？ 在哪个角度下，弹簧玩具行走速度最快？
• 额外内容：在这项活动中，您研究了弹簧玩具如何在 15 度、20 度或 25 度角的斜面上行走，但您可以改变斜面以创建比这些角度更小或更大的坡度，并研究弹簧玩具在更极端角度下的行走效果。 斜面的最小和最大角度是多少，弹簧玩具仍然可以“走”下来？
• 额外内容：小的弹簧玩具，如迷你弹簧玩具，在斜面上的行走方式可能与较大的弹簧玩具不同。 同样，塑料弹簧玩具的行进方式可能与相同尺寸的金属弹簧玩具不同。 选择在这项活动中效果最佳的角度，并分别尝试两种不同类型的弹簧玩具，要么是相同材料的不同尺寸，要么是相同尺寸但由不同材料制成。 不同的弹簧玩具如何在平面上行走？ 在相同的角度下，一个弹簧玩具是否比另一个弹簧玩具翻转更多或行进更快？ 你认为这是为什么？
• 额外内容：有很多方法可以使用弹簧玩具来探索不同的科学概念。 一项可以尝试的活动是将两端放在地板上并跳跃。 你能用弹簧玩具作为波浪探测器吗？ 或者，尝试来回摆动弹簧玩具。 通过这样做，你能了解压缩波的什么知识？ 你甚至可以敲击弹簧玩具来产生声音。 你能发出不同的音调吗？ 弹簧玩具也被用作巨型天线。 你能想到探索使用弹簧玩具作为天线的方法吗？ 你还能想到其他哪些科学的弹簧玩具用途或研究？
观察和结果
当斜面角度为 15 度时，弹簧玩具在其斜面行走过程中是否翻转次数最多？ 当斜面角度为 25 度时，弹簧玩具在斜面上的行进速度是否最快？
重力及其自身的动量使弹簧玩具在斜面上持续移动，这些力与弹簧玩具在不同角度行进时的行为方式有关。 当弹簧玩具在相对陡峭的物体上行走时，例如与 15 度坡度相比，角度为 25 度的斜面，弹簧玩具应该更快地行进，因为重力会将其向下拉。 根据具体情况，这可能需要大约弹簧玩具在较浅角度下所需时间的三分之一，但弹簧玩具在这种快速行走中不会翻转那么多。 当弹簧玩具在不太陡峭的表面上行走时，例如与 25 度相比为 15 度的斜面，弹簧玩具应该翻转更多（可能多两到三倍）。 当以 20 度倾角行进时，弹簧玩具的速度和翻转次数应介于这两个极端之间。 活动中使用的确切条件，例如胶合板表面的光滑度和弹簧玩具的状况，也会影响玩具在不同倾斜度下的性能。
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本活动由以下机构合作推出： 科学伙伴