高空扔鸡蛋实验

高空扔鸡蛋实验是一项兼具物理理论与操作实践的实验教学项目，可以促进学生实验操作技能的提高，培养学生的创新意识，提高学生的综合实践能力。通过做实验的方式去见证科技的力量，明白科学道理。

众所周知，生鸡蛋是比较容易打破的，要想从高处扔下而不碎掉，必须有特殊的装置保护鸡蛋顺利到达地面。“鸡蛋撞地球”项目的比赛现场，参赛的同学们需要运用平时所学的科学知识，并且借助生活中常见的物料，收集制作成特殊装置，来保护鸡蛋从五楼落下而不会损坏。

一、比赛规则

高空扔鸡蛋实验装置可以选取任何材料，以任意方式进行制作。比赛时，在无初速度情况下，从固定高度以静止状态释放装置。实验装置落地后，由裁判当场打开装置，检查鸡蛋是否完好。若鸡蛋破裂，则实验失败。若鸡蛋完好，进行实验装置称重登记。最后，以实验装置重量最轻者为获胜方。

二、规则分析

（一）比赛获胜的前提是鸡蛋不破裂，其次才是称重比较。所以实验的关键是保证鸡蛋的完好。

（二）保证鸡蛋的完好只是过了第一关，还要保证实验装置重量最轻都才能获得最终的胜利，因此需要选用密度小的材料制作实验装置。

（三）比赛一般会规定一个落地区域，虽然偏了不算犯规，但是规定区域外的落地环境与落地区域是有差别的，并不一定会比落地区域更好。因此，在比赛中要保证实验装置降落在落地区域内。

三、实验装置理论分析

（一）降落伞增大空气阻力降低下降速度。利用降落伞，使鸡蛋连同整个装置平稳落地。这种方案是最容易想到，因为跳伞、宇宙飞船减速，都运用了这个方法，效果很好，安全性极高，整个实验装置很受易达到以较小的速度匀速下落。降落伞因其出色的减速性能和极轻的重量，在此次实验中是值得考虑的方案。但它会受到外界的干扰，有不稳定的因素存在。降落伞的稳定性取决于当时的风向风速。受大气扰动影响太厉害，会使实验装置飘忽不定，准确性较差，往往不能落到指定位置，从而影响了比赛成绩。降落伞的尺寸也是要重点考虑的因素，小了，降速太快，鸡蛋落地可能会破碎。大了，降速慢，但重量大不利于最终取得好成绩。需要选取重量较轻的材料制作降落伞。

（二）软性包裹缓冲作用减少撞击力。用较多的减震材料将鸡蛋严严实实地包裹起来。比如泡沫、棉花、各种软性填充材料等。通过这些材料的缓冲作用，达到保护鸡蛋的目的。由于所使用的材料都是密度极小的，所以可将整个实验装置的重量降到最低。用泡沫或其他软性的材料包裹鸡蛋，形成缓冲外壳。此方法增加空气阻力，降低速度可以忽略不计，主要是增大作用时间，减小受力，形成缓冲效果。但美中不足的是：整个装置是自由下落状态，到达地面时的速度较大，因而对实验装置的坚固度和缓冲效果要求较高，安全性稍差一点。由于比赛的高度一般比较高，落地速度会很大。若是想单纯地用泡沫缓冲，会使包裹变得很大、很沉，影响第二阶段的称重比较，所以一般不单独使用。

（三）利用悬挂系统减少冲击力。把整个实验装置制作成一个多面体，将鸡蛋用结实的绳子固定在多面体的中央，使整个鸡蛋悬空。当实验装置落地时，不论哪个面着地，悬挂系统可以较好地减小惯性，避免鸡蛋碰撞到地面造成破坏碎。这种方案无需额外的材料，只需要制作多面体的骨架和几根线即可，用料极其节省，因而重量会大大降低。因受空气阻力较小，所以稳定性较好。但这种方案也有一个大的缺点就是对实验装置的设计要求较高，制作难度较大，多面体不易扎制，轻量化控制不易实现。如果实验装置不够稳固，落地后鸡蛋可能会被撞碎，造成实验失败。

四、选取最佳实验装置

在以上实验装置理论分析中，最后一种对设计制作均有较高的要求，想要实现难度较大。第一种与第二种较易实现，但也是各有利弊，必须综合运用才能达到最佳的效果。通过反复实验发现两种最佳实验装置，材料容易得到，制作简便。

（一）软性包裹加降落伞的叠加设计理念。将泡沫削成蛋形包住鸡蛋，用四个塑料袋当作降落伞，捆绑在泡沫上，形成一种组合体。塑料袋做成的降落伞可以减缓下降速度，在实验装置落地时泡沫又能起到减缓冲击的作用。

（二）气球加纸杯的叠加设计理念。纸杯中间塞入少许缓冲物质（例如棉花）包裹住鸡蛋，在纸杯的底部和顶部，用胶带各粘上一个气球。实验装置在下落过程中，气球起到与降落伞一样的降低下落速度的作用，同时在落地时也能起到缓冲作用。纸杯中间的软性物质可以包裹住鸡蛋，落地时也能起到缓冲作用。

五、实验理论依据

（一）动量定理，动力学的普遍定理之一。内容为物体动量的增量等于它所受合外力的冲量即Ft=mΔv，即所有外力的冲量的矢量和。其定义为：如果一个系统不受外力或所受外力的矢量和为零，那么这个系统的总动量保持不变，这个结论叫做动量守恒定律。鸡蛋所受的力F与力的作用时间t成反比，即t越大，F就越小，作用在鸡蛋上的力就越小。因此，增大力的作用时间t，鸡蛋就不容易碎了。

（二）由空中垂直下落的物体所受空气阻力f与空气的密度ρ、物体的有效横截面积S、下落的速率v的平方成正比，阻力的大小可表示为f=CρSv?，其中C为阻力系数，一般在0.2—0.5之间，ρ=1.2kg/m?，物体下落经过一段时间将达匀速，称为终极速率。因此，利用降落伞装置来增大有效横截面积，进而增大物体所受的空气阻力，也是防止鸡蛋摔破的一种思路。

（三）减小惯性带来的破坏。牛顿第一运动定律，又称惯性定律、惰性定律。常见的完整表述：任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。

在整個实验装置落地的一瞬间，装置静止，但是鸡蛋由于惯性，还会继续运动，造成与装置的挤压、碰撞，容易使鸡蛋破碎，因此在鸡蛋外面包裹上泡沫等软性材料是必需的。

六、总结分析

高空扔鸡蛋，看似不可能的事情。经过理论分析与操作实践后，变成了现实。不需要购买额外的材料，利用家里最常见的材料就能开展非常有趣的物理实验。在动手制作的过程中，面对各种层出不穷的意外而实际的问题，真正锻炼了思维、培养了解决问题的能力。

作者简介

宿方遒，男，黑龙江哈尔滨，哈尔滨市第122中学。