去年春假過後，我回到學校準備進行我慣常的動量實驗，也就是經典的蛋落實驗，卻意外遇到一個障礙：雞蛋價格。連續五堂課要摔破80到100多顆雞蛋，成本實在太高。

於是我決定嘗試不同的做法。我著手設計一個新的實驗活動來結束我們的動量單元，這個活動要傳達相同的工程原理，但不需要用到數百顆雞蛋。原本只是為了節省預算的替代方案，結果卻變成了一個更豐富、更具數學嚴謹性的活動，結合Vernier感應器設備進行即時定量分析，並透過課堂中融入的友善競爭，讓學生高度參與。即使雞蛋價格恢復正常，這也將是我會繼續採用的實驗。

從蛋落實驗到防撞緩衝區

 

當我第一次閱讀NGSS標準HS-PS2-3：應用科學與工程概念來設計、評估並改進一個在碰撞過程中能最小化對宏觀物體施加力量的裝置時，我立刻想到：這個標準根本就是在描述蛋落實驗。

 

但要達到這個NGSS標準，不只有一種方法。我設計這個新活動的靈感來自YouTube上的一段影片，影片介紹了汽車安全如何從剛性鋼架車（即使在低速下也幾乎無法提供保護）演進到現代配備防撞緩衝區的車輛。

 

這些內建的安全功能在碰撞時會刻意「變形」，延長速度（以及動量）變化的時間。透過延長碰撞時間，這些設計降低了對乘客施加的力道，提升了安全脫身的機會。

 

第一階段：引發現象——為什麼防撞緩衝區有效

 

我以那段撞擊測試影片開始這堂課，展示汽車安全如何在數十年間演進成現代的防撞緩衝區設計。在播放前三分钟的影片前，我會先給出適當的觸發警告，提醒學生注意撞擊畫面。

這段影片彙集了汽車安全研究撞擊測試的片段，比較了舊款與新款汽車設計，展示它們在碰撞中承受的不同程度損壞。

在繼續進行之前，我會提出幾個討論問題，例如：

• 你有沒有注意到舊款與新款汽車在碰撞中的差異？
• 為什麼工程師會設計汽車讓它在碰撞時變形？
• 這對車內乘客有什麼意義？
• 我們在實驗室中如何模擬這種效果？

 

背後的物理原理：衝量-動量定理

這個實驗的指導原則是衝量-動量定理：

 

碰撞持續的時間（t）越長，峰值力（F）就越小。對許多入門物理學的學生來說，這感覺違反直覺，且難以理解。但使用Vernier Graphical Analysis^®即時觀察定量數據，真的能讓這個力學原理變得清晰易懂，特別是當學生看到從他們自己的實驗項目中生成的數據時。

視覺化差異

以下是一個「良好」碰撞（綠色）和一個「不良」碰撞（橙色）的力-時間圖表。兩次碰撞都使車輛完全停止，因此動量的總變化（由曲線下的面積表示）幾乎相同。

差異在於動量變化的方式。

 

• 在綠色碰撞中，碰撞過程分布在較長的時間內，這降低了峰值力，使停止過程更平緩。
• 在橙色碰撞中，碰撞發生得更快，產生急劇的力峰值。

在Graphical Analysis中模擬「良好」碰撞（綠色）與「不良」碰撞（橙色）的比較

這種數據視覺化讓衝量-動量定理對學生來說更容易理解。他們可以看到，重點不僅在於讓車輛停止，還在於停止所需的時間長短。

第二階段：教室防撞緩衝區挑戰

步驟一：設計與製作

學生以二人為一組，每組使用相同的材料開始。我提供吸管、紙張和遮蓋膠帶，但也可以嘗試其他材料。學生有固定的製作時間（30分鐘）來完成他們的第一個防撞緩衝區設計。

 

步驟二：測試

我們在「防撞緩衝區測試器」上測試每組的設計，該測試器由安裝在固定斜度的動力學軌道底部的Go Direct^®力與加速度感應器組成。感應器上附有一個平坦的尺子片段，作為固定每組防撞緩衝區設計的安裝板。整個班級的測試大約需要15分鐘。

每次試驗中，一輛固定質量的Go Direct感應器小車從軌道上的同一高度釋放，確保撞擊前的動量一致。這種一致性對於比較和評估設計至關重要，同時也是一個很好的機會，讓學生快速複習能量守恆的知識。

「防撞緩衝區測試器」設置：Go Direct感應器小車與Go Direct力與加速度感應器，設置在固定斜度上。

在測試期間，我會將撞擊區域的即時攝影機畫面與Graphical Analysis一起顯示，讓全班都能即時看到力-時間圖表的生成。這讓每個人都保持參與感，也將每次試驗變成學習機會：學生有更多機會觀察什麼有效、什麼無效，以及原因。

步驟三：分析與迭代

第一輪測試完成後，真正的工程樂趣才開始。我在白板上記錄每組的峰值力排行榜，每輪最低峰值力的組別可以從我的獎品箱中挑選獎品（這是一個小但很有效的激勵措施）。

學生回到設計階段，重新設計他們的防撞緩衝區，進行第二輪測試。這裡引入了迭代——一個在基礎物理教育中我們探索不夠的工程原則。他們從自己的測試和觀察同學的試驗中看到了什麼是有效的，現在的任務是進行有意義的修改以提升表現。

步驟四：反思與報告

為了評分，我專注於學生比較和對照兩次嘗試的能力。每組提交一份簡短報告，內容包括：

• 兩次試驗的力-時間圖表
• 解釋第一輪的設計選擇
• 描述第二輪如何修改設計及原因
• 分析修改是否改善了結果
• 反思他們在物理和工程過程中所學到的知識

延伸活動

在我的AP物理1課程中，我們進行相同的活動，但我會增加關於彈性的問題。導致車輛反彈的防撞緩衝區實際上會增加曲線下的總面積，我們可以通過Go Direct感應器小車驗證這種彈性，觀察撞擊過程中速度是否改變符號！

我還考慮過另一個變體：引入材料選單和預算。例如，每組有100元的預算，吸管每支5元，膠帶按長度計費。這迫使學生在成本與效益之間做出權衡。我猜想，使用更多樣的材料並加入成本效益分析，將會豐富每輪測試結束後的討論。

不要把所有數據放在一個籃子裡

在這個實驗中使用Go Direct力與加速度感應器的真正力量，不僅在於它能即時視覺化力數據，還在於結果是連續的，而非離散的。

在傳統的蛋落實驗中，學生能記錄的結果只有：

• 蛋破了
• 蛋裂了
• 蛋完好無損 這對於簡單展示很好，但幾乎沒有詳細分析或迭代的空間。

而在這個活動中，力感應器讓學生能夠捕捉廣泛結果的精確力測量，提供更穩健的數據來比較和改進設計。從「是/否」結果轉向量化表現指標，改變了整個實驗的本質，讓學生專注於工程改進。

因此，雖然雞蛋價格上漲打亂了我原本的實驗計劃，但也孵出了一個更好的點子——為我的學生開啟了更豐富的學習機會。

---

艾瑞克·羅賓森是加州格蘭代爾赫伯特·胡佛高中科學部門的共同主席。他自2012年起全職教學。除了教學外，他還是美國建模教師協會（AMTA）的培訓師以及Vernier趨勢引領者。艾瑞克為高三和高四學生教授物理，作為學區的畢業要求，並使用模型教學法來最佳支持大量雙語學習者的需求。