懸崖勒馬- NTCU科學遊戲Lab

會自動剎車的紙馬. ※器材：紙盒、曬衣夾、棉線、紙杯、螺帽（或鐵釘）. ※操作步驟與現象. 這是一個已經頗為人知的操作，蘊含值得討論與探索的物理原理。

其裝置與實驗 ... 國立台中教育大學NTCU 科學教育與應用學系 科學遊戲實驗室　　　回首頁　  懸崖勒馬 會自動剎車的紙馬 ※器材：紙盒、曬衣夾、棉線、紙杯、螺帽（或鐵釘） ※操作步驟與現象 　　這是一個已經頗為人知的操作，蘊含值得討論與探索的物理原理。

其裝置與實驗操作如下： 1.取一紙盒（例如面紙盒），拿掉底部的紙面，使成為一中空的紙盒，當為馬的身體。

並取四個曬衣夾夾在紙盒底部，當為馬的四隻腳。

（如圖一右上方的紙盒） 2.在紙盒上方鑽一小洞，穿過一棉線，並綁上一小段吸管（避免棉線由紙盒脫落）。

棉線另一端綁在紙杯上，紙杯可用來裝入螺帽（或鐵釘）等重物（如圖一左下方）。

注意：棉線的長度必須小於桌子的高度。

3.製作完成後，放置於桌面上，紙杯下垂於桌緣。

注意桌子的桌面必須略為凸出，以避免下垂的紙杯與垂直的桌緣摩擦或接觸。

4.最後，抓住紙馬，然後在紙杯中一個一個的放入螺帽（或鐵釘），以使紙馬在鬆手後可以因為紙杯與螺帽（或鐵釘）往下拉的重量而開始往前運動。

注意：放入紙杯的螺帽（或鐵釘）不能太多（太重），否則紙馬會持續往前衝出桌子，而掉落地面。

5.調整完成之後，就可以演示給學生觀察。

首先將裝置放在桌面（如圖一），並向學生說明：「紙杯中裝有重物，會拉著紙馬往前跑，紙馬往前跑是不是會衝過桌子，掉到地上呢？」，讓學生猜測完畢後，請學生仔細觀察。

結果，紙馬往前衝刺之後，一直跑到桌緣，就快掉下去的時候，居然就自動剎車了！（如圖二） 實驗結果請觀看實驗影片（8.7M） ※原理 　　紙馬會懸崖勒馬的原因，主要包括二個因素：(1)紙馬的腳（曬衣夾）與桌面有摩擦力。

(2)紙馬靠近桌緣的過程，往前的力逐漸變小。

第(1)點紙馬的腳（曬衣夾）與桌面有摩擦力，提供阻力，讓紙馬的往前的速度變小。

但是速度變小不一定保證紙馬可以停下來，更重要的是「紙馬越靠近桌緣，往前的力就越小，而且摩擦力也越大」，為什麼呢？ 如下圖圖三，紙馬受到紙杯與重物的拉力F（紅色線），此F力可分解為往前的拉力f1（綠色線）以及往下的力f2。

在紙馬往桌緣運動的過程中，由於紙杯與重物的重量不變，因此拉力F不變，但是角度逐漸往下！因此，一剛始時，往前的f1最大，往下的f2最小。

隨著紙馬往桌緣靠近，往前的f1變小，往下的f2變大。

換言之，紙馬受到往前牽引的力f1越來越小，而往下的力f2越來越大（往下的力越大，亦即正壓力越大，與桌面的摩擦力Ff也就越大），紙馬自然就停下來了。

※叮嚀的話 　要讓紙馬停下來，需要注意調整： 1.紙杯內的重物不能過重，否則往前的拉力太大，紙馬仍然可能衝過頭摔下桌面。

而重物太輕，則鬆手後紙馬還是停留在原地，不會移動 2.桌面的光滑程度，會影響摩擦力大小，因此不同桌面的效果會有差異。

3.除了調整紙杯內螺帽（或鐵釘）的數量，也可以在紙馬上增加重物（增加摩擦力）的方式調整。

在教學上，可以指導學生討論或探討以下問題： 1.紙馬在移動過程，與桌面的摩擦力是否保持固定？為什麼？ 答：參考圖三，摩擦力越來越大。

2.紙馬在移動過程，往前的力是否保持固定不變？為什麼？ 答：往前的力並非固定不變，而是越來越小。

3.棉線綁在紙盒的位置高低，是否會有差異？為什麼？ 答：有差異！棉線綁在紙盒的位置越低（如下圖右），往前的分力f1相對越大，而且往下的力f2越小（摩擦力Ff越小）。

因此，以相同的拉力（相同的紙杯與重物）而言，棉線綁在紙盒的位置越低，越有可能衝過頭而掉出桌緣。