基于“筷子提米”實驗的科學探究

江西師范大學物理與通信電子學院(330022) 沈林東 周新雅 徐大軍 周 行

“筷子提米”實驗是教學“摩擦力”時常被采用且非常經典的演示實驗之一，以“一根筷子提起一杯米”的神奇現象，生動形象且極具說服力的向學生展示出靜摩擦力的存在。既能幫助學生理解靜摩擦力的作用，又能充分調動學生的視覺、觸覺等感官。該實驗被蘇科版、浙教版等多個版本教材先后收錄供學生閱讀和參考。

針對“筷子提米”實驗的研究有很多，從1996年至2019年公開發表的有關該實驗的教學研究論文就已達19篇之多。這些論文主要研究筷子、米、杯子、操作技巧、教師實驗素養等因素對實驗成功的影響，以及為了提高成功率而選擇沙、試管、棍子等器材改進實驗。鮮有就圓柱管代替杯子(瓶子)完成“筷子提米”實驗的研究，更不曾有用圓柱管成功實現“不用筷子”提米的創新實踐。因此，選取圓柱管代替“筷子”“杯子或瓶子”提米和“無筷提米”實驗，營造出更加神奇的現象，引發學生的認知沖突，從而激發他們更加強烈的好奇心和求知欲，定能使傳統的“筷子提米”實驗重新綻放異彩。再選取不同規格的圓柱管探究其自身哪些因素會對實驗產生影響，對培養學生的創新思維能力、推進傳統實驗器材選擇具有重大作用。

1 實驗探究

提出問題：圓柱管能否成功“提米”與其自身的哪些因素有關？

猜想與假設：可能與圓柱管的口徑、長度大小有關。

設計實驗：選擇不同規格的圓柱管分別進行“筷子提米”和“無筷提米”實驗。

進行實驗：

(1)實驗器材：準備一根筷子、適量干大米、多根不同規格的透明圓柱管(長度有5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm；相同長度的口徑有1 cm、1.5 cm、2 cm、2.5 cm、3 cm、3.5 cm)，實驗器材如圖1所示。

圖1 實驗器材

(2)實驗過程：由于圓柱管兩端開口相當于無“杯底”可以兜住米，米容易“從上端進下端出”，所以實驗時要將圓柱管放在較為平整的桌面上，保證下管口與接觸面之間盡可能沒有縫隙，避免米在裝入圓柱管時漏出。此外，在夯實米時要固定好圓柱管，避免在這一過程中因圓柱管口與接觸面之間出現縫隙而“漏米”。實驗操作步驟和部分實驗現象見表1。

表1 實驗過程

在實驗過程中發現：當圓柱管口徑相同的情況下，不同長度的圓柱管成功的難度一樣。但是，當圓柱管的長度一樣時，隨著口徑的增大，實驗越難取得成功，實驗記錄見表2。選取長度為15 cm的不同口徑的圓柱管，為了避免實驗出現偶然性，用不同的圓柱管進行“筷子提米”和“無筷提米”實驗各20次，并統計其成功次數(口徑為1 cm的圓柱管插入筷子時容易被撐裂，故不用于做“筷子提米”實驗)。

表2 成功次數統計表

2 分析與總結

米掉落的原因分析：夯實大米時，壓力并不是均勻作用在每粒米上。上部分的米先受到擠壓，擠壓程度會逐漸增大，當擠壓程度達到最大時，所受到的摩擦力也最大。再繼續夯實大米時，上部分的米產生的摩擦力會抵消到一部分壓力，使得底部受到的壓力變小，導致下部分擠壓程度小，受到的摩擦力小，容易掉落。因此，在夯實大米時最好一邊加米一邊夯實，這樣能夠使米整體的擠壓程度達到最大，所受到的摩擦力也相應達到最大，實驗的成功率也會相應提高。

口徑對實驗影響的分析：米堆中筷子受到的最大靜摩擦力f會隨著米填充高度h的變化而變化，當h小于圓柱管直徑2倍時，米?？傎|量大部分作用于圓柱管底部，此時圓柱管底部受到的壓力大，f較??；當h大于圓柱管直徑2倍，圓柱管底部壓力趨于飽和，f隨新添加的米粒質量增加而線性增大。米和筷子是相互作用的，故米本身受到的最大靜摩擦力也是按照上述規律變化的。當圓柱管長度相同時，米的最大靜摩擦力也是相同的，而隨著圓柱管口徑的增大，米的總重力會逐漸增大。

因此，通過實驗和分析可知，在器材的選擇上應該選取口徑較小、長度適宜的圓柱管進行實驗，這樣實驗的成功幾率更高。但由于實驗裝置相對簡陋，而且實驗次數偏少，使得該實驗結論的準確性還有待提高，仍需要不斷進行實驗探究。

3 教學建議

為了順利實現“以管提米”的“無筷提米”實驗，除了需要考慮圓柱管的影響外，其他影響因素同樣也需要考慮。通過實踐以及對相關文獻的分析，建議注意以下幾點。

(1)實驗器材

選取口徑較小、長度適中的圓柱管；為了增大米受到的摩擦力，應選取粗糙的筷子和米(比如秈米)，增大接觸面的粗糙程度。

(2)操作技巧

由于圓柱管沒有“底”可以兜住米，所以在裝米和夯實過程中要避免“漏米”。要可能地將大米盡夯實，最好一邊加米一邊夯實，這樣能夠使米受到的壓力增大，進而使摩擦力增大。

(3)教師的實驗素養(演示經驗和技巧)

任何實驗的成功都不是一蹴而就的，都需要教師提前去演練實驗、積攢經驗、掌握技巧，只有這樣才能保證實驗取得成功。

(4)“加水”貌似有理實則無理

給“米”加水的方法頗有投機取巧之意。有論文提出用濕米來增大摩擦力的方法，這種方法雖然在理論上是可行的(濕米中筷子受到的最大靜摩擦力比干米中大)，對確保實驗成功具有一定的優勢，但卻無益于實驗。在生活中，學生會發現米淘洗之后會“粘”在鍋壁或器皿上，而且在實驗中濕米也容易發生“粘米”現象。此時，米之所以不掉落是因為“水”的原因，還是因為“摩擦力”的作用呢？難免會讓學生在思維認識上產生混亂。所以，濕米無益于該實驗改進。

4 結束語

對于“筷子提米”實驗不應該一成不變、墨守成規，而應該認真地考慮如何加以改進創新，使得實驗的演示更多樣化、更豐富化，使這一傳統教材實驗與時俱進、煥然一新。另外改進實驗不應該只是“紙上談兵”，還需要通過實驗探究影響實驗成功的因素，進而選取合適的器材進行實驗，使該實驗改進在教學中能夠得以成功地演示，顯現出應有的功效。