硬幣翻轉現象及其探究

顧江鴻

摘 要： 硬幣翻轉是生活情境中值得探究的物理現象.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，落下后發現硬幣發生了翻轉.通過實驗對比，分析數據發現，釋放方式和釋放高度影響硬幣下落時的翻轉.

關鍵詞： 硬幣翻轉;科學探究;力矩;情境學習

國際科學教育專家Derek Hodson[1]認為科學教育的目的是學習科學（learning science）、學習理解科學（learning about science）、做科學（dong science），科學探究是實現這一綜合目的的有效方法.科學教師是科學界在課堂上的代表[2]，教師對科學和科學探究的理解，教師科學探究的意識和習慣，教師科學探究的范圍和深度將決定課堂上物理課程的科學形象，決定學生科學素養的提高度，決定物理核心素養目標的達成度.本文介紹利用身邊最常見的硬幣進行探究的過程，供各位探究、教學、討論用，以期引起大家對生活情境的關注，從生活情境中找出生成的有價值的探究問題[3].

1 提出問題

用硬幣演示的物理現象很多，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，從玻璃杯的側面將看不到硬幣），硬幣厚度、質量、體積的估算，硬幣的電磁感應、磁化、磁屏蔽等等.硬幣翻轉也是很有探究價值的物理現象.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;讓硬幣落在另一只手的手面上，兩手相距約20厘米.你會發現，原來在上面的五角硬幣現在在一元硬幣的下面.這是偶然現象，還是必然規律？是什么因素造成硬幣翻轉？

2 提出假設

在教學中學生對硬幣翻轉的原因有很多假設，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，下落時不翻轉;不在中心，壓力不平衡導致翻轉.（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，在空氣中運動時，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）硬幣的數量.翻轉的情況與釋放的硬幣數有關，釋放1個、2個、3個不同數量的硬幣，翻轉情況不同.（4）硬幣的大小.五角與一元硬幣的大小不同，釋放時導致翻轉.（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，是一根手指先釋放硬幣，導致硬幣不同部位下落的時間不同，如果兩手指同時釋放，將不翻轉.（6）釋放的高度.高度不同，翻轉的情況不同.（7）流體壓強與流速的關系.在釋放時，由于硬幣下落的速度不同，導致空氣的壓力不同，引起翻轉.

3 實驗方案

每個假設對應的實驗方案不盡相同，但都需根據假設設計相應的對比實驗.如上面假設（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行比較.假設（2）可以把五角硬幣換成一元硬幣等等.在操作時，用毛巾代替手，減少硬幣落下時的跳動;每種情況需多次釋放，避免硬幣跳動等情況帶來的誤差，如每種情況釋放20次;必要時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 實驗數據

（1）硬幣的釋放方式與疊放方式實驗數據

下面對部分數據進行展示.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假設組合在一起的實驗數據.疊放方式有三種模式，模式A有三個硬幣，模式B有一個一元硬幣和一個五角硬幣，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，和兩手指同時松開三種釋放方式.每一組別釋放100次.

4.2 不同高度翻轉數據

為了考察釋放高度對硬幣翻轉的影響，從10厘米開始，以10厘米為間隔長度，一直測到190厘米，用毛巾代替手面，硬幣落在毛巾上.具體數據見表2.

5 結論與論證

表1數據顯示，硬幣翻轉與硬幣的疊放方式無關，與釋放的方式有關.當硬幣從一邊下落，硬幣翻轉;從兩邊同時下落，硬幣不翻轉.表1中第3組數據顯示，翻轉與不翻轉次數基本一樣，這是由于在上面一元硬幣不落下的情況下，很難讓下面兩個硬幣同時下落.表2數據顯示，硬幣的翻轉與釋放的高度有關，在約30厘米處硬幣翻轉;在約140厘米處，硬幣不翻轉.從表2數據可以推測硬幣是轉動著下落的，在140厘米處翻轉兩次，從硬幣朝上的面判斷好像沒有翻轉.觀看硬幣下落視頻可以看出硬幣在下落時是不斷翻轉的，在約140厘米處翻轉兩次.

為了進一步驗證釋放方式對硬幣翻轉的影響，改用電磁鐵來釋放，用電磁鐵吸住一個五角硬幣和一個一元硬幣的中心，五角在上面，一元在下面.斷開開關，硬幣下落，硬幣不翻轉，改變釋放高度，硬幣仍不翻轉.這為釋放方式導致硬幣翻轉找到新的證據.

從一邊釋放硬幣時，由于硬幣的另一邊還沒有離開手指，這時重力對硬幣產生力矩，這一力矩使得硬幣翻轉，可以把這一力矩產生角速度的理論值與通過精確測量得到的實驗值進行比較來進一步研究硬幣翻轉的原因.

參考文獻：

[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）國家研究理事會著，戢守志等譯.美國國家科學課程標準[M].北京：科學技術文獻出版社，1991.

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