关键概念
质量
质心
平衡
物理学
游戏
导言
你有没有在嘉年华上玩过游戏，试图赢得毛绒玩具或其他奖品？它看起来可能很容易——直到你尝试了。为什么集市、嘉年华和狂欢节上那些“简单”的游戏如此困难？真的是缺乏技巧或协调性，还是那些中途摆摊的商贩利用一些基本的科学定律来帮助他们设置游戏，从而让他们占优势？在这个科学活动中，你将研究物理学如何帮助你在经典的投球击倒牛奶瓶金字塔游戏中获胜或失败。
背景
为什么在嘉年华或集市上，几乎不可能击倒球瓶或击中正确的目标来赢得那个巨大的毛绒玩具——尤其是当它看起来如此容易时？为了回答这个问题，在这个活动中，我们将研究经典的嘉年华游戏，有时被称为“一球定胜负”，其中牛奶瓶堆叠成金字塔形，你可以投掷一次球来尝试将它们全部击倒。为了战胜这个游戏，思考重新分配物体的质量如何影响其平衡性是很有用的。例如，当你在身前挂着一个沉重的背包时，站在平衡木上可能很容易，但当背包在你背上时，就更具挑战性了。
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物体的质量分布会影响其质心，质心是物体大部分质量的平均位置。这基本上意味着，如果质量在顶部和底部均匀分布（通常球就是这样），则质心将位于物体的中心。如果质量分布不均匀，则质心将移向物体较重的一侧。因此，对于金字塔来说，质心将远低于其物理中心，因为更多的质量位于下半部分。
材料
一个非常大的房间或室外区域（你需要充足的空间，这样你就可以扔球而不会击中任何人或任何东西。）
一张小型稳固的桌子
遮蔽胶带、棍子、石头或类似的物体，用于标记投掷距离
网球或棒球
三个装满水的塑料瓶，形状和大小都相同（确保你可以将瓶子稳定地堆叠成金字塔形。大多数 16.9 液体盎司的饮用水瓶应该都能很好地胜任。）
食用色素（可选）
准备工作
将每个瓶子装满水。每个瓶子中的水量应该相同。
如果你愿意，你可以从瓶子上取下标签，并在每个瓶子中添加一些食用色素（三滴），为你的嘉年华游戏增添色彩。如果你在瓶子中添加食用色素，请确保你在测试时，即使瓶子洒出一些染色水也不会有问题！（如果你使用染色水，建议你在户外进行此活动。）
将你的材料带到非常大的房间或室外区域，你可以在那里设置你的迷你嘉年华游戏。
将小桌子放在距离你的“投掷线”一定距离的地方。你可以尝试距离桌子大约八英尺。使用一块遮蔽胶带、石头、棍子或类似的物体标记投掷线。
步骤
确保水瓶盖已拧紧。将三个瓶子堆叠成稳定的金字塔形放在桌子上，底部两个瓶子，顶部一个瓶子，位于它们之间居中，并 resting 在它们的盖子上。你的金字塔有多稳定？
从你的投掷线，向瓶子金字塔投掷网球（或棒球）。你击中任何瓶子了吗？如果是，击中了哪个瓶子？有多少个瓶子被击倒了？
将金字塔恢复到之前的样子放在桌子上。
重复此过程，直到你至少用球击中金字塔 10 次。尽量每次都以相同的方式投掷球，并尝试击中每个瓶子几次。通常有多少个瓶子被击倒？似乎取决于你用球击中了哪个瓶子吗？如果是这样，你需要击中哪个瓶子才能击倒最多的瓶子？
现在从金字塔上取下顶部瓶子，并将里面的水倒空。将瓶子堆叠成稳定的金字塔形放在桌子上，顶部放空瓶子。这个金字塔看起来有多稳定？
像之前一样，从投掷线向金字塔投掷球至少 10 次，每次投掷后都在桌子上重新排列金字塔。再次尝试每次都以相同的方式投掷球，并尝试击中每个瓶子几次。现在通常有多少个瓶子被击倒？击中某个瓶子（或某些瓶子）是否倾向于击倒最多的瓶子？
从金字塔上取下一个底部瓶子，并将里面的水倒空。将瓶子堆叠成稳定的金字塔形放在桌子上，底部两个空瓶子，顶部一个装满水的瓶子。这个金字塔看起来有多稳定？
像之前一样，从投掷线向金字塔投掷球至少 10 次，每次投掷后都在桌子上重新排列金字塔。再次尝试每次都以相同的方式投掷球，并尝试击中每个瓶子几次。在这种金字塔排列方式下，通常有多少个瓶子被击倒？击中某个瓶子（或某些瓶子）是否倾向于击倒最多的瓶子？
总的来说，哪种金字塔排列方式导致所有三个瓶子都被击倒的投掷次数最多？换句话说，哪种排列方式最成功？哪种最不成功？应该击中哪个瓶子才能使最多的瓶子倒下？
额外内容：你可以重复此活动，但这次你可以量化你的结果。也就是说，在测试每种金字塔排列方式时，写下每次击中哪个瓶子以及有多少个瓶子被击倒。如果你量化你的结果，一种金字塔排列方式与另一种相比“成功”多少？击中一个瓶子与击中另一个瓶子相比好多少？
额外内容：尝试将投掷线移近金字塔或远离金字塔。你与金字塔的投掷距离如何改变你击倒它的成功率？
额外内容：你可以使用木块代替瓶子，并将它们排列成不同的配置，例如将所有三个堆叠在一起。使用木块，哪种配置最容易击倒？哪种最难？
观察和结果
当金字塔排列成底部两个空瓶子（顶部一个装满水的瓶子）时，它是否最容易倒塌？击中底部瓶子通常是最好的方法吗？
很多人最初可能认为你制作的第一个瓶子金字塔的质心位于结构的中间（顶部瓶子 resting 在底部瓶子上的位置）。但在这种配置中，所有瓶子都装满相同的水，它实际上更接近底部两个瓶子的中间——因为底部有两个瓶子，金字塔底部的质量比顶部更大。因此，质心更靠近金字塔的底部。在第二个金字塔排列方式中，质心变得更低，因为与顶部相比，更多质量位于金字塔的底部。在第三个金字塔排列方式中，质心变得更高——在顶部瓶子的某个位置。
你应该已经发现，第三个金字塔，其质心较高，是最容易击倒且最不稳定的一个，很可能当球碰到其中任何一个时，所有三个瓶子都会倒下。另一方面，第二个金字塔，其质心较低，可能最难完全击倒。一般来说，击中底部瓶子之间的较低区域（低于金字塔的质心）应该是击倒整个金字塔最成功的方法。除了第三个金字塔外，击中顶部瓶子可能只会将顶部瓶子从金字塔上击落，留下另外两个瓶子仍然站立。
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