彈珠樂園

原始設計者：羅芳晁

1.實驗目的

以規定的簡單材料製作彈珠模擬盪鞦韆和雲霄飛車的活動，藉以探討 慣性定律、槓桿原理、能量轉換及水平拋射運動的現像，並以其運動軌跡 之準確操控為目標來進行比賽，寓教於樂，故以彈珠樂園為名。

2.實驗原理

分為兩部分，其中：活動一的設計是根據擺動鞦韆上的的彈珠，因鞦 韆板撞停仍能維持運動慣性而向前滾出的現像，使其沿著傾斜的不等臂蹺 蹺板上滾時，由於重心的改變，蹺蹺板變換了傾斜的方向，活動中若軌跡 控制妥當，彈珠便能滾向得分區獲得比賽的佳績，當然用趣味的競賽方式 獲取科學原理之學習才是我們最大的目標。

活動二則根據彈簧或橡皮筋發生形變時，可儲存彈性位能，而彈性位 能又可釋放轉換為動能的性質，我們設計了一個模擬雲霄飛車的實驗來進 行比賽，從快快樂樂的比賽中探討能量轉換的關係與鉛直圓運動的物理原 理，也能從軌跡操控時獲知水平拋射的物理知識。

3.活動一：彈珠盪鞦韆

準備材料

大會： 竹筷子 5 雙

外徑 2.8cm

內徑 1cm 的墊圈

2 個薄雙面膠帶100cm

單面透明膠帶 1 小捲

橡皮筋 10 條

ABC 彩色黏土 10cm×5cm×2 cm（大約）2 塊

直徑 2 .5 cm 桐木彈珠

8 個、長度 22 cm 直徑 1.3 cm 的大吸管 2 支

一般小吸管（直徑約為0.5mm~0.8mm）

5 支、A4 珍珠板

3 片、8.7cm×5.3cm 樸克牌 4張

長度 100cm 的細棉線1條

直徑7.5cm;高 9.1cm容量 200cc的紙杯 2 個

塑膠製墊杯 1 個。

自備：尺、美工刀、剪刀、筆。

競賽製作

以大會所發給的材料，於 15 分鐘內，四位隊員中的兩位各製作一組 樸克牌鞦韆及鞦韆架，另兩位則各製作不等臂蹺蹺板及水平檔板各一組， 並調整妥善以利參加競賽。製作時注意下列規定，不符規定者，競賽成績 以零點計入。

1.樸克牌鞦韆及鞦韆架： 把樸克牌一側長邊下摺成為ㄏ形，尺寸關係大約如圖一(a)所示（誤 差不得超越 1cm），其中水平的寬面作為鞦韆板面，垂直向下的窄面 為擺動時之前端，它被設計用來撞擊擋板，以使鞦韆停止擺動。在 鞦韆板之上水平寬面的中央以雙面膠帶黏上一片墊圈，作為彈珠座 以放置彈珠。把細棉線製成可懸掛鞦韆的擺線，製作時可在鞦韆板 之下水平寬面的較窄兩側，選擇適當的對稱位置，用透明膠帶把它 們固定妥當，如圖一(b)所示。最後再將擺線之一端綁在鞦韆架的水 平橫桿上（綁線方式不限制），而完成了鞦韆的裝置。 鞦韆架用筷子組成ㄇ字形，架柱下方可用 ABC 彩色黏土（參考圖四） 或大會提供之材料自行設計組合基座來固定，但鞦韆架的水平橫桿 離桌面的高度不得超越 30cm，又組合時限定只能選用大會提供的透 明膠帶、橡皮筋、筷子及黏土為材料。

2.水平檔板及不等臂蹺蹺板：在 A4 珍珠板之底面的相對兩側邊附近，各用雙面膠帶黏上小吸管， 使板面水平墊高做成水平檔板，如圖二所示。 把 A4 珍珠板切割成為長 30cm 寬 10cm 的兩個長板條，再用以製成兩 個不等臂蹺蹺板。製作時在靠近每個長板條一端的平面上黏一適當 長度的小吸管作為墊底，並調整此端使它和水平檔板有相等高度， 接著在板的同面距離墊底小吸管超過16cm以上自行選定一個適當位 置，在此位置黏上一隻大吸管做為轉軸，如圖三所示。 不等臂蹺蹺板的正面（和轉軸相反而方向朝上的一面），在其長邊的 兩側面可各自黏上一隻小吸管作為護欄，護欄的兩端限定在轉軸與墊底吸管位置間，不得超越，但護欄間距及形狀可自由設計。

3.得分紙杯由大會布置，其位置如圖四所示，杯口水平面離桌面高度 為 10cm，杯心在蹺蹺板中心線正下方。

競賽說明

1.每隊分成一、二兩組，各組使用自己的造型依序參賽，造型或其附件不得與它組共用，也不可借用他隊之造型或零件，經發現者，本項不于計分，也不得補賽。

2.競賽時，每隊各組可用總時間為 3 分鐘，時間結束，計分即確定，逾時部分不算。

3.競賽時，在總裁判號令下開始計時，才可將裝置安置於桌面上，裝置的排列如圖四所示。

4.各隊第一組操作完畢，應立即拆除並移走裝置，裝置移清後第二組才可接力開始裝置，並進行比賽操作，否則視同違規，成績不算。後面一組若使用前組的任何殘留材料或裝置，易視同違規，成績不計，又所有過程的計時均不暫停仍繼續累加，時間用畢競賽即結束。

5.競賽操作時，應該先把彈珠放在鞦韆板的墊圈孔座上，才准許將鞦韆拉高放手使其向下擺動，當下擺的鞦韆板撞到水平檔板而停下來的時後，彈珠因運動的慣性仍繼續前進，因此操作正確時，彈珠將會沿圖四所示之路徑滾入紙杯內而得分。

6.將鞦韆板拉高及放手擺動後的過程不得以任何方式去觸碰彈珠，違規者不于計分。

7.每一參賽隊員均需下場操作，每人操作兩次，兩組四人成績總和為該隊之活動一的成績，其計分方式如表 1。

8.競賽中若有疑問應立即向現場裁判提出，賽後不與理會。

4.活動二：雲霄飛車

使用材料

大會：長度 22cm，直徑 1.3cm 的粗吸管 4 支

隊、長度 20cm 的竹筷子 4 支

隊、橡皮筋 4 條/隊、直徑 2.5cm 的桐木彈珠 8 個

隊、直徑 7.5cm;高 9.1cm 容量 200cc 的紙杯 5 個、塑膠墊杯 5 個

長度 100cm；寬度 1.45 cm 的電線壓條 1 條、20cm×6 cm×1.5cm

固定軌道用木板條 1 片、2.8×12mm 木螺絲（鐵 製品）。

自備：尺、美工刀、剪刀、十字形螺絲刀、筆。

競賽製作

以大會所發給的材料，於 10 分鐘內，參賽之四位隊員應分別各自製作一組撞擊器，而全隊共用的一組動能、位能轉換器，則可由一人或數人共同製作完成，最後將裝置調整妥善以利參加競賽。製作時注意下列規定，不符規定者，競賽成績以零點計入。

1.限定以大會提供之器材，現場製作撞擊器，如圖五中 A 部分，先把筷子的一端用橡皮筋綁緊，但要注意保留橡皮筋的另一端作為套環，最後把筷子套入吸管內（吸管可以裁剪），就完成了撞擊器。

2.動能、位能轉換器，如圖五中的 B 部分，以電線壓條製成直徑（或從水平木板條量起至最高點的鉛直距離）為 22cm 以上的鉛直圓環，圓環可用螺絲釘及壓條背膠將其固定在水平木板條上。(電線壓條不得剪斷，否則視同違規，分數以 0 分計)

3.得分杯使用五個紙杯分別由競賽者自行放置在指定的得分區，如圖六所示，其中出口位置 T 與杯口的高度差約為 20 cm，其最近水平距離則為 45cm（請參考圖六；圖五中未顯示此距離）。

競賽說明

1.競賽時，各隊四人分成兩組輪流上場，各組上場時，第一人持自行製作的撞擊器，第二位則拿塑膠彈珠，分別各就競賽位置，聽候裁判之號令來進行操作比賽。當第一人射擊完畢後，兩人角色交換，也就是第二位接替射擊，第一人改拿彈珠。

2.競賽開始時，第二人將彈珠靜止放在動能、位能轉換器 B 的彈珠入口位置 S 處，聽後裁判允許，第一人才能開使用撞擊器將彈珠發射出去，發射速度之快慢可自行控制。

3.第二人放置彈珠時不能有撥動彈珠動作，違規者扣除該次發射成績。

4.撞擊器使用的方法，參考圖五的 A 部分，先將橡皮筋套在握著吸管之左手拇指的虎口上，再以右手把吸管內的筷子向後拉，並瞄準彈珠後鬆手，當彈珠被筷子撞到即可彈出，若速度大小合理，它就能繞著鉛直軌道作雲霄飛車的圓周運動，最後從出口 T 拋入得分紙杯內，各杯號之得點數如表 2 所示（完成圓運動，但未入杯內者，以得 1 點計分）。

5.每隊活動二競賽時間共計 3 分鐘，逾時部分不列入計分。競賽時間內每一參賽隊員均需下場操作，每人應射擊兩次，以兩組四人落入杯內之彈珠獲得的總點數，參照表 3 之計分方式為該隊之本活動成績。

5.活動三：創意

(一)創意作品：凡能用撞擊方式產生動能、位能交換的趣味運動之設計皆可，但應注意安全性的設計，否則不予計分。 (二)評選重點：以下各項取 0～6 點的範圍給點數，滿點數為 30 點，但需具備動能與位能之轉換功能。

1.設計的創意性

2.設計的完美性

3.設計的趣味性

4.設計的實用性

5.設計的安全性。

6.評分方式

活動一、二兩部分的分數相加即為本項目成績。最高分者若不只一隊則以活動二之成績較佳者為第一名，若此項成績仍相同，則用抽籤方式決定，以獲得『彈珠樂園』單項冠軍。

7.材料總表

8.時間總計

(一)本項競賽時間：共計 55 分鐘

(二)製作時間(含說明及領取材料)：18 隊共 25 分鐘

(三)評審時間：18 隊共 30 分鐘

10.探究問題

1. 影片4中的彈珠，是如何不斷一直循環的。
2. 彈珠為什麼總是不會離開軌道
3. 彈珠鞦韆中彈珠滾的高度和擺的高度有關係嗎？你怎麼知道？