硬币翻转现象及其探究

顾江鸿

摘 要： 硬币翻转是生活情境中值得探究的物理现象.把一枚五角硬币夹在两枚一元硬币之间，用一只手的拇指和食指捏着，水平放置，让下面两枚硬币下落到另一只手的手面上，落下后发现硬币发生了翻转.通过实验对比，分析数据发现，释放方式和释放高度影响硬币下落时的翻转.

关键词： 硬币翻转;科学探究;力矩;情境学习

国际科学教育专家Derek Hodson[1]认为科学教育的目的是学习科学（learning science）、学习理解科学（learning about science）、做科学（dong science），科学探究是实现这一综合目的的有效方法.科学教师是科学界在课堂上的代表[2]，教师对科学和科学探究的理解，教师科学探究的意识和习惯，教师科学探究的范围和深度将决定课堂上物理课程的科学形象，决定学生科学素养的提高度，决定物理核心素养目标的达成度.本文介绍利用身边最常见的硬币进行探究的过程，供各位探究、教学、讨论用，以期引起大家对生活情境的关注，从生活情境中找出生成的有价值的探究问题[3].

1 提出问题

用硬币演示的物理现象很多，如硬币跳高、一枚硬币能装多少滴水，硬币“浮”在水面上，消失的硬币（把硬币放在装有水的玻璃杯下面，从玻璃杯的侧面将看不到硬币），硬币厚度、质量、体积的估算，硬币的电磁感应、磁化、磁屏蔽等等.硬币翻转也是很有探究价值的物理现象.找两枚一元硬币和一枚五角硬币，把五角硬币放两枚一元硬币中间，三枚硬币摞在一起.用一只手的大拇指和食指捏住这三枚摞起来的硬币;微张两手指，让下面两枚硬币落下，最上面的一元硬币不动;让硬币落在另一只手的手面上，两手相距约20厘米.你会发现，原来在上面的五角硬币现在在一元硬币的下面.这是偶然现象，还是必然规律？是什么因素造成硬币翻转？

2 提出假设

在教学中学生对硬币翻转的原因有很多假设，归纳起来有以下几种.（1）五角硬币在一元硬币上的位置.五角硬币在一元硬币的正中心，下落时不翻转;不在中心，压力不平衡导致翻转.（2）两硬币的重心位置.五角硬币在一元硬币的上面，五角的重力小于一元，两者在一起的重心靠近一元硬币，在空气中运动时，重心在后面，就如毽子在飞起、下落过程中，重的部位在前面，鸡毛在后面一样.（3）硬币的数量.翻转的情况与释放的硬币数有关，释放1个、2个、3个不同数量的硬币，翻转情况不同.（4）硬币的大小.五角与一元硬币的大小不同，释放时导致翻转.（4）和（2）有相似之处，但不相同，（2）考虑的是重量，而（4）考虑的是大小.（5）释放硬币的方式.释放硬币时，是一根手指先释放硬币，导致硬币不同部位下落的时间不同，如果两手指同时释放，将不翻转.（6）释放的高度.高度不同，翻转的情况不同.（7）流体压强与流速的关系.在释放时，由于硬币下落的速度不同，导致空气的压力不同，引起翻转.

3 实验方案

每个假设对应的实验方案不尽相同，但都需根据假设设计相应的对比实验.如上面假设（1）五角硬币在一元硬币上的位置，可以把五角硬币固定在一元硬币的中心和边缘不同位置进行比较.假设（2）可以把五角硬币换成一元硬币等等.在操作时，用毛巾代替手，减少硬币落下时的跳动;每种情况需多次释放，避免硬币跳动等情况带来的误差，如每种情况释放20次;必要时控制释放硬币的高度等等.探究中需要的材料有硬币、厚毛巾、直尺、塑料胶带（固定硬币）等.

4 实验数据

（1）硬币的释放方式与叠放方式实验数据

下面对部分数据进行展示.表1是在释放高度不变的情况下，释放方式与叠放方式两个假设组合在一起的实验数据.叠放方式有三种模式，模式A有三个硬币，模式B有一个一元硬币和一个五角硬币，模式C只有一枚一元硬币.每一模式下又包括从拇指、食指处释放，和两手指同时松开三种释放方式.每一组别释放100次.

4.2 不同高度翻转数据

为了考察释放高度对硬币翻转的影响，从10厘米开始，以10厘米为间隔长度，一直测到190厘米，用毛巾代替手面，硬币落在毛巾上.具体数据见表2.

5 结论与论证

表1数据显示，硬币翻转与硬币的叠放方式无关，与释放的方式有关.当硬币从一边下落，硬币翻转;从两边同时下落，硬币不翻转.表1中第3组数据显示，翻转与不翻转次数基本一样，这是由于在上面一元硬币不落下的情况下，很难让下面两个硬币同时下落.表2数据显示，硬币的翻转与释放的高度有关，在约30厘米处硬币翻转;在约140厘米处，硬币不翻转.从表2数据可以推测硬币是转动着下落的，在140厘米处翻转两次，从硬币朝上的面判断好像没有翻转.观看硬币下落视频可以看出硬币在下落时是不断翻转的，在约140厘米处翻转两次.

为了进一步验证释放方式对硬币翻转的影响，改用电磁铁来释放，用电磁铁吸住一个五角硬币和一个一元硬币的中心，五角在上面，一元在下面.断开开关，硬币下落，硬币不翻转，改变释放高度，硬币仍不翻转.这为释放方式导致硬币翻转找到新的证据.

从一边释放硬币时，由于硬币的另一边还没有离开手指，这时重力对硬币产生力矩，这一力矩使得硬币翻转，可以把这一力矩产生角速度的理论值与通过精确测量得到的实验值进行比较来进一步研究硬币翻转的原因.

参考文献：

[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）國家研究理事会著，戢守志等译.美国国家科学课程标准[M].北京：科学技术文献出版社，1991.

[3] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.