高中物理就学过，在斜坡上放置不同重量的箱子，由于摩擦系数一定，因此箱子会以相同的加速度下滑。立教大学理学部村田次郎教授留意到在日常生活中看到的却是“越重的人（大人）滑得越快”，为此他将此选作大学生的毕业设计课题，让学生解释为什么生活经验与理论会矛盾。学生们通过研究发现，在滚轮滑梯上，越重的箱子滑得越快，并且从某个时间点开始箱子就不再加速，而是以恒定速度（终端速度）下滑。通过这样的探索性学习，学生们发现了与物理法则不相符的现象。
高中物理课是这样介绍自由落体的，在没有空气阻力的月球上羽毛和锤子会同时落地，从比萨斜塔上让重量不同的两个铅球下落也会同时落地，因为自由落体运动遵循牛顿第二定律F=ma（F代表力，m代表质量，a代表加速度。在地球上，a等于重力g）。教科书上还介绍了箱子沿斜面下滑的例子，由于静止时和运动时的摩擦系数均为常数，所以摩擦力与质量成正比。因此可以计算出，无论箱子是轻是重，都将以相同的加速度沿斜面下滑。
高中物理中描述的自由落体运动和物体在有摩擦的斜面上滑动（图片由立教大学村田次郎教授提供）
然而，立教大学专攻粒子物理学、核物理学和重力物理学的村田教授在2022年研究冰壶石转弯现象（立教大学教授村田破解“98年之谜”——冰壶为何会转弯？）时，发现在现实中，物体运动时的摩擦系数并不是常数。他基于自己的经验等，怀疑“大人和小孩在滑滑梯时，（体重大的）大人滑得更快”这个现象可能也与摩擦系数有关，于是他决定以此作为大学生的毕业设计课题。
村田教授与实验中使用的大学附近公园的铝制滚轮滑梯
在实验中，他们将智能手机固定在公园的栏杆上，固定滚轮滑梯和相机之间的位置。然后在纸箱中放入装满水的塑料瓶，通过相机记录纸箱在滑梯上下滑的情况。通过改变瓶子的数量，分别对1.0公斤、2.2公斤、4.2公斤和6.2公斤重量的箱子进行了实验，并从记录的视频中提取出每一帧的箱子位置，计算其速度和加速度。
根据牛顿第二定律F=ma，每个箱子都应该持续加速，但实际上箱子在达到一定速度后就不再加速，而是保持在终端速度上。每个箱子的终端速度不同，1公斤的箱子为0.5米/秒，2.2公斤箱子为0.8米/秒，4.2公斤箱子为1.2米/秒，6.2公斤箱子为1.4米/秒，箱子越重终端速度越快。
村田教授介绍说：“教科书上讲述的动摩擦系数是常数，但实际上动摩擦系数与速度和质量都有依存关系。”“教科书上摩擦力只用一根与运动方向相反的箭头来表示，但实际上每一个滚轮的轴的转动、弯曲、振动、轴承的转动和润滑油的分布都导致会产生多种能量损耗路径，会影响箱子的滑动。”
实验确认了终端速度的存在，以及体重越重则终端速度越快（图片由村田次郎教授提供）
为了验证终端速度等结论是否不仅适用于滚轮滑梯，还适用于板式滑梯，在金属制板式滑梯上也进行了相同的实验。然而，结果却没有规律，箱子的重量与速度之间没有相关性，还需要进一步进行严格的实验。
关于“大人滑滑梯更快”的问题，村田教授在网上搜索时发现许多人都解释称这是因为空气阻力。而研究表明，实验中空气阻力对结果的影响不大。
此次毕业设计取得的成果，源于高中物理教科书的知识与生活经验的矛盾现象，并由此引发学生研究滑梯的摩擦问题。相关研究成果已经作为大学生探究式学习实践案例，发表在6月6日发行的日本物理教育学会杂志《物理教育》上。
原文：JST Science Portal 编辑部
翻译：JST客观日本编辑部
