動手學科學/物質科學I/動位能轉換(一)

平衡鳥實驗

原始設計者：張鈞祺;張又懿

目的

用簡單的實驗與勞作，加上生活中的體驗，讓同學們了解物理中的重心、動能、位能、加速度。

原理

重心

因為平衡黏土的重心位置，已經低於支撐點的高度了，而物體會偏向重心，所以它可以”穩當當”的在我們的黏土支點上了。 就像在課堂上所提到的腳踏車一樣，因為重心在支撐點之下，所以腳踏車與黏土就可以利用小小的支點，取得一個完美的平衡。 影響：黏土平衡幾乎偏向重的那一邊，接著就會滑下來，除非將黏土插在正下方。

當重量不對稱，重心就會變成是重的那一邊，那麼也達不到將重心聚集於支撐點下方的狀態，整個黏土平衡就會變得不穩定。

活動

紙製平衡鳥

準備材料

1. 雲彩紙
2. 竹籤
3. 剪刀
4. 膠帶
5. 原子筆

製作步驟

1. 將雲彩紙對折，並且畫上圖案
2. 決定支點
3. 將竹籤貼在支點上

黏土平衡鳥

準備材料

1. 竹籤
2. 剪刀
3. 膠帶
4. 原子筆
5. 黏土

探究問題

1.生活中有什麼地方能看到能量的傳遞？

Ans:

1. 冬天手摸著金屬製品，金屬製品變得會隨著時間變得不冷(體溫傳導能量到金屬製品裡，使它的溫度升高)
2. 手機充電(能量以電的形式從插座傳遞到手機裡)

2.請舉例，生活中的平衡現象

Ans:

• 騎單車
• 翹翹板

3.為什麼平衡鳥只需要一個支點，就能好好的站著？

Ans: 因為平衡黏土的重心位置，已經低於支撐點的高度了，而物體會偏向重心，形成兩股相對的力量，互相抵銷，形成平衡，所以它可以”穩當當”的在我們的黏土支點上了。

4.請在下方的平衡鳥圖中，分別標出重心、支撐點、中心點的位置。

Ans:

步行下坡實驗

原理

玩具結構：

1. 前腳的身體
2. 能轉動的後腳

1. 一個如膠囊狀中空的滾體，內部置有一顆密度較大的金屬球；滾體兩側有兩個樞軸，以使滾體可以沿著此主軸自由翻滾動。
2. 滾體可在具鋸齒狀之傾斜的木製軌道上，靠樞軸在該軌道上自主的翻滾下降。
3. 翻滾運動的特徵在於滾體繞著兩個樞軸中的一個交替旋轉，同時滾體從一側滾動到另一側。

下坡原則

1. 「後重心」原則：物體的重心在前腳的後面，靠近後腳，但不能超過後腳。
2. 「有限轉動」原則：後腳可以往前、往後轉動，但是轉動角度在一定的範圍內。當後腳往前轉動，會碰到前腳而停止；而往後轉動則會撞到位於S點的木栓而停止。
3. 「腳掌圓弧」原則：前、後腳的「腳掌」是圓弧形的，不是平的。平的腳掌很難成功。
4. 運動過程以腳掌為「支點」，隨著下坡的運動過程，前腳、後腳交替接觸斜坡，支點也隨之改變。

相關物理

動能

 PE = mgh

位能

 KE = 1/2mv^2

活動照片

材料-下坡玩具	下坡玩具	下坡玩具-準備	下坡玩具-放手

材料-下坡柯基	下坡柯基	下坡柯基有裝彈珠	材料-走路下坡

走路下坡	走路下坡	下坡小馬

探究問題

1.下坡玩具的速度是越來越快，還是越來越慢呢？

Ans: 當球往下滾時，持續受到地球重力的影響，位能不斷轉變成動能，使得速率會增加。

2.在翻滾吧！柯基實驗中放入兩顆彈珠，翻滾速度會加快，與哪一個物理數值有關？

Ans: 與重量與重力有關，因為萬有引力，彈珠統一滾到同一個方向，依作用力與反作用力來說，地球也會給柯基犬施加更大的利，柯基就翻得越快了。

3.請問，當下坡小馬往下走時，時間過越久，下坡小馬的瞬間速度會____

A.越快 B.越慢 C.等速

Ans: C.等速

什麼原因造成下坡玩具不會往下走?

Ans: 坡度不夠（後重心無法作用），摩擦力太大，造成下坡玩具無法往下走。

放兩顆彈珠，效果有什麼改變呢？

Ans: 柯基犬會滾得更快，因為彈珠的重量更大，兩邊重量落差更大，重心的方向越明顯。

不能筆直走下坡時，可能的影響因素有哪些？該如何調整？

Ans: 因為彈珠會在柯基犬裡面滾動，造成重心偏移，解決方法可以把柯基犬剪的窄一些，鎖定彈珠的位置。

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