高空扔雞蛋實驗

高空扔雞蛋實驗是一項兼具物理理論與操作實踐的實驗教學項目，可以促進學生實驗操作技能的提高，培養學生的創新意識，提高學生的綜合實踐能力。通過做實驗的方式去見證科技的力量，明白科學道理。

眾所周知，生雞蛋是比較容易打破的，要想從高處扔下而不碎掉，必須有特殊的裝置保護雞蛋順利到達地面。“雞蛋撞地球”項目的比賽現場，參賽的同學們需要運用平時所學的科學知識，并且借助生活中常見的物料，收集制作成特殊裝置，來保護雞蛋從五樓落下而不會損壞。

一、比賽規則

高空扔雞蛋實驗裝置可以選取任何材料，以任意方式進行制作。比賽時，在無初速度情況下，從固定高度以靜止狀態釋放裝置。實驗裝置落地后，由裁判當場打開裝置，檢查雞蛋是否完好。若雞蛋破裂，則實驗失敗。若雞蛋完好，進行實驗裝置稱重登記。最后，以實驗裝置重量最輕者為獲勝方。

二、規則分析

（一）比賽獲勝的前提是雞蛋不破裂，其次才是稱重比較。所以實驗的關鍵是保證雞蛋的完好。

（二）保證雞蛋的完好只是過了第一關，還要保證實驗裝置重量最輕都才能獲得最終的勝利，因此需要選用密度小的材料制作實驗裝置。

（三）比賽一般會規定一個落地區域，雖然偏了不算犯規，但是規定區域外的落地環境與落地區域是有差別的，并不一定會比落地區域更好。因此，在比賽中要保證實驗裝置降落在落地區域內。

三、實驗裝置理論分析

（一）降落傘增大空氣阻力降低下降速度。利用降落傘，使雞蛋連同整個裝置平穩落地。這種方案是最容易想到，因為跳傘、宇宙飛船減速，都運用了這個方法，效果很好，安全性極高，整個實驗裝置很受易達到以較小的速度勻速下落。降落傘因其出色的減速性能和極輕的重量，在此次實驗中是值得考慮的方案。但它會受到外界的干擾，有不穩定的因素存在。降落傘的穩定性取決于當時的風向風速。受大氣擾動影響太厲害，會使實驗裝置飄忽不定，準確性較差，往往不能落到指定位置，從而影響了比賽成績。降落傘的尺寸也是要重點考慮的因素，小了，降速太快，雞蛋落地可能會破碎。大了，降速慢，但重量大不利于最終取得好成績。需要選取重量較輕的材料制作降落傘。

（二）軟性包裹緩沖作用減少撞擊力。用較多的減震材料將雞蛋嚴嚴實實地包裹起來。比如泡沫、棉花、各種軟性填充材料等。通過這些材料的緩沖作用，達到保護雞蛋的目的。由于所使用的材料都是密度極小的，所以可將整個實驗裝置的重量降到最低。用泡沫或其他軟性的材料包裹雞蛋，形成緩沖外殼。此方法增加空氣阻力，降低速度可以忽略不計，主要是增大作用時間，減小受力，形成緩沖效果。但美中不足的是：整個裝置是自由下落狀態，到達地面時的速度較大，因而對實驗裝置的堅固度和緩沖效果要求較高，安全性稍差一點。由于比賽的高度一般比較高，落地速度會很大。若是想單純地用泡沫緩沖，會使包裹變得很大、很沉，影響第二階段的稱重比較，所以一般不單獨使用。

（三）利用懸掛系統減少沖擊力。把整個實驗裝置制作成一個多面體，將雞蛋用結實的繩子固定在多面體的中央，使整個雞蛋懸空。當實驗裝置落地時，不論哪個面著地，懸掛系統可以較好地減小慣性，避免雞蛋碰撞到地面造成破壞碎。這種方案無需額外的材料，只需要制作多面體的骨架和幾根線即可，用料極其節省，因而重量會大大降低。因受空氣阻力較小，所以穩定性較好。但這種方案也有一個大的缺點就是對實驗裝置的設計要求較高，制作難度較大，多面體不易扎制，輕量化控制不易實現。如果實驗裝置不夠穩固，落地后雞蛋可能會被撞碎，造成實驗失敗。

四、選取最佳實驗裝置

在以上實驗裝置理論分析中，最后一種對設計制作均有較高的要求，想要實現難度較大。第一種與第二種較易實現，但也是各有利弊，必須綜合運用才能達到最佳的效果。通過反復實驗發現兩種最佳實驗裝置，材料容易得到，制作簡便。

（一）軟性包裹加降落傘的疊加設計理念。將泡沫削成蛋形包住雞蛋，用四個塑料袋當作降落傘，捆綁在泡沫上，形成一種組合體。塑料袋做成的降落傘可以減緩下降速度，在實驗裝置落地時泡沫又能起到減緩沖擊的作用。

（二）氣球加紙杯的疊加設計理念。紙杯中間塞入少許緩沖物質（例如棉花）包裹住雞蛋，在紙杯的底部和頂部，用膠帶各粘上一個氣球。實驗裝置在下落過程中，氣球起到與降落傘一樣的降低下落速度的作用，同時在落地時也能起到緩沖作用。紙杯中間的軟性物質可以包裹住雞蛋，落地時也能起到緩沖作用。

五、實驗理論依據

（一）動量定理，動力學的普遍定理之一。內容為物體動量的增量等于它所受合外力的沖量即Ft=mΔv，即所有外力的沖量的矢量和。其定義為：如果一個系統不受外力或所受外力的矢量和為零，那么這個系統的總動量保持不變，這個結論叫做動量守恒定律。雞蛋所受的力F與力的作用時間t成反比，即t越大，F就越小，作用在雞蛋上的力就越小。因此，增大力的作用時間t，雞蛋就不容易碎了。

（二）由空中垂直下落的物體所受空氣阻力f與空氣的密度ρ、物體的有效橫截面積S、下落的速率v的平方成正比，阻力的大小可表示為f=CρSv?，其中C為阻力系數，一般在0.2—0.5之間，ρ=1.2kg/m?，物體下落經過一段時間將達勻速，稱為終極速率。因此，利用降落傘裝置來增大有效橫截面積，進而增大物體所受的空氣阻力，也是防止雞蛋摔破的一種思路。

（三）減小慣性帶來的破壞。牛頓第一運動定律，又稱慣性定律、惰性定律。常見的完整表述：任何物體都要保持勻速直線運動或靜止狀態，直到外力迫使它改變運動狀態為止。

在整個實驗裝置落地的一瞬間，裝置靜止，但是雞蛋由于慣性，還會繼續運動，造成與裝置的擠壓、碰撞，容易使雞蛋破碎，因此在雞蛋外面包裹上泡沫等軟性材料是必需的。

六、總結分析

高空扔雞蛋，看似不可能的事情。經過理論分析與操作實踐后，變成了現實。不需要購買額外的材料，利用家里最常見的材料就能開展非常有趣的物理實驗。在動手制作的過程中，面對各種層出不窮的意外而實際的問題，真正鍛煉了思維、培養了解決問題的能力。

作者簡介

宿方遒，男，黑龍江哈爾濱，哈爾濱市第122中學。