基于“筷子提米”实验的科学探究

江西师范大学物理与通信电子学院(330022) 沈林东 周新雅 徐大军 周 行

“筷子提米”实验是教学“摩擦力”时常被采用且非常经典的演示实验之一，以“一根筷子提起一杯米”的神奇现象，生动形象且极具说服力的向学生展示出静摩擦力的存在。既能帮助学生理解静摩擦力的作用，又能充分调动学生的视觉、触觉等感官。该实验被苏科版、浙教版等多个版本教材先后收录供学生阅读和参考。

针对“筷子提米”实验的研究有很多，从1996年至2019年公开发表的有关该实验的教学研究论文就已达19篇之多。这些论文主要研究筷子、米、杯子、操作技巧、教师实验素养等因素对实验成功的影响，以及为了提高成功率而选择沙、试管、棍子等器材改进实验。鲜有就圆柱管代替杯子(瓶子)完成“筷子提米”实验的研究，更不曾有用圆柱管成功实现“不用筷子”提米的创新实践。因此，选取圆柱管代替“筷子”“杯子或瓶子”提米和“无筷提米”实验，营造出更加神奇的现象，引发学生的认知冲突，从而激发他们更加强烈的好奇心和求知欲，定能使传统的“筷子提米”实验重新绽放异彩。再选取不同规格的圆柱管探究其自身哪些因素会对实验产生影响，对培养学生的创新思维能力、推进传统实验器材选择具有重大作用。

1 实验探究

提出问题：圆柱管能否成功“提米”与其自身的哪些因素有关？

猜想与假设：可能与圆柱管的口径、长度大小有关。

设计实验：选择不同规格的圆柱管分别进行“筷子提米”和“无筷提米”实验。

进行实验：

(1)实验器材：准备一根筷子、适量干大米、多根不同规格的透明圆柱管(长度有5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm；相同长度的口径有1 cm、1.5 cm、2 cm、2.5 cm、3 cm、3.5 cm)，实验器材如图1所示。

图1 实验器材

(2)实验过程：由于圆柱管两端开口相当于无“杯底”可以兜住米，米容易“从上端进下端出”，所以实验时要将圆柱管放在较为平整的桌面上，保证下管口与接触面之间尽可能没有缝隙，避免米在装入圆柱管时漏出。此外，在夯实米时要固定好圆柱管，避免在这一过程中因圆柱管口与接触面之间出现缝隙而“漏米”。实验操作步骤和部分实验现象见表1。

表1 实验过程

在实验过程中发现：当圆柱管口径相同的情况下，不同长度的圆柱管成功的难度一样。但是，当圆柱管的长度一样时，随着口径的增大，实验越难取得成功，实验记录见表2。选取长度为15 cm的不同口径的圆柱管，为了避免实验出现偶然性，用不同的圆柱管进行“筷子提米”和“无筷提米”实验各20次，并统计其成功次数(口径为1 cm的圆柱管插入筷子时容易被撑裂，故不用于做“筷子提米”实验)。

表2 成功次数统计表

2 分析与总结

米掉落的原因分析：夯实大米时，压力并不是均匀作用在每粒米上。上部分的米先受到挤压，挤压程度会逐渐增大，当挤压程度达到最大时，所受到的摩擦力也最大。再继续夯实大米时，上部分的米产生的摩擦力会抵消到一部分压力，使得底部受到的压力变小，导致下部分挤压程度小，受到的摩擦力小，容易掉落。因此，在夯实大米时最好一边加米一边夯实，这样能够使米整体的挤压程度达到最大，所受到的摩擦力也相应达到最大，实验的成功率也会相应提高。

口径对实验影响的分析：米堆中筷子受到的最大静摩擦力f会随着米填充高度h的变化而变化，当h小于圆柱管直径2倍时，米粒总质量大部分作用于圆柱管底部，此时圆柱管底部受到的压力大，f较小；当h大于圆柱管直径2倍，圆柱管底部压力趋于饱和，f随新添加的米粒质量增加而线性增大。米和筷子是相互作用的，故米本身受到的最大静摩擦力也是按照上述规律变化的。当圆柱管长度相同时，米的最大静摩擦力也是相同的，而随着圆柱管口径的增大，米的总重力会逐渐增大。

因此，通过实验和分析可知，在器材的选择上应该选取口径较小、长度适宜的圆柱管进行实验，这样实验的成功几率更高。但由于实验装置相对简陋，而且实验次数偏少，使得该实验结论的准确性还有待提高，仍需要不断进行实验探究。

3 教学建议

为了顺利实现“以管提米”的“无筷提米”实验，除了需要考虑圆柱管的影响外，其他影响因素同样也需要考虑。通过实践以及对相关文献的分析，建议注意以下几点。

(1)实验器材

选取口径较小、长度适中的圆柱管；为了增大米受到的摩擦力，应选取粗糙的筷子和米(比如籼米)，增大接触面的粗糙程度。

(2)操作技巧

由于圆柱管没有“底”可以兜住米，所以在装米和夯实过程中要避免“漏米”。要可能地将大米尽夯实，最好一边加米一边夯实，这样能够使米受到的压力增大，进而使摩擦力增大。

(3)教师的实验素养(演示经验和技巧)

任何实验的成功都不是一蹴而就的，都需要教师提前去演练实验、积攒经验、掌握技巧，只有这样才能保证实验取得成功。

(4)“加水”貌似有理实则无理

给“米”加水的方法颇有投机取巧之意。有论文提出用湿米来增大摩擦力的方法，这种方法虽然在理论上是可行的(湿米中筷子受到的最大静摩擦力比干米中大)，对确保实验成功具有一定的优势，但却无益于实验。在生活中，学生会发现米淘洗之后会“粘”在锅壁或器皿上，而且在实验中湿米也容易发生“粘米”现象。此时，米之所以不掉落是因为“水”的原因，还是因为“摩擦力”的作用呢？难免会让学生在思维认识上产生混乱。所以，湿米无益于该实验改进。

4 结束语

对于“筷子提米”实验不应该一成不变、墨守成规，而应该认真地考虑如何加以改进创新，使得实验的演示更多样化、更丰富化，使这一传统教材实验与时俱进、焕然一新。另外改进实验不应该只是“纸上谈兵”，还需要通过实验探究影响实验成功的因素，进而选取合适的器材进行实验，使该实验改进在教学中能够得以成功地演示，显现出应有的功效。