"火柴火箭(matches rocket)" 修訂間的差異

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<td><img style="height:200px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0b/%E5%A4%AA%E7%A9%BA%E7%81%AB%E7%AE%AD.jpg'/>
 
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(圖一、火箭)</td><td><div style="border:black 1px solid; width:60%;">
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<br>(圖一、火箭)</td><td><div style="border:black 1px solid; width:60%;">
 
<font color="blue" >名詞解釋: </font>
 
<font color="blue" >名詞解釋: </font>
 
*角動量—(L=rp=Iω)
 
*角動量—(L=rp=Iω)

於 2019年4月17日 (三) 07:42 的修訂

中秋節除了家家戶戶烤肉的香氣以外，還時常聽見各處傳來沖天炮的聲音，或許每個人都玩過沖天炮，但你知道如何利用火柴製作火箭嗎？火箭升空的原理是根據牛頓第三運動定律：作用力與反作用力。當火箭燃料燃燒時會產生大量氣體，而火箭將大量氣體排出的同時，被排出的氣體也會給予火箭反作用力，使火箭升空。

　　氣球洩氣時會亂飛也是因為牛頓第三運動定律（如影片一），但是想製作火柴火箭還必須讓火箭的飛行軌跡穩定，絕不能像氣球那樣亂飛。羽毛球在空中飛行時，總是以球頭朝前的方式飛行（如影片二），如果能將羽毛球的飛行特性應用到火箭上，就能做出穩定飛行的火柴火箭了(如影片三)。




(影片一、氣球洩氣)


(影片二、羽毛球飛行)


(影片三、火柴火箭發射)

名詞解釋:

  • 牛頓第三運動定律—(作用與反作用定律)

一物體受外力作用時，必產生一反作用力，作用力與反作用力大小相等， 方向相反，但作用力與反作用力作用在不同物體上，所以不能抵消。 F ⃗作用力=-F ⃗反作用力



實驗材料:

  • 1. 火柴2盒、直尺
  • 2. 鋁箔紙、剪刀、竹籤
  • 3. 尖嘴鉗、A4紙、打火機
  • 4. 膠帶、吹風機、粗吸管
  • 5. 捲尺2個、瓶蓋2個
  • 6. 鋁箔膠帶、羽毛球
  • 7. 原子筆、方格紙、繩子


1.現象說明：

如影片所示:



(影片二、羽毛球飛行)


(影片三、火柴火箭發射)

羽毛球是由軟木塞的球頭跟羽毛的尾翼組成，但為什麼總是以較重的球頭朝著前方飛行，而不是較輕的羽毛端朝著前方飛行呢？

火柴火箭製作教學請參考影片四


(影片四、火柴火箭製作教學)




2.初探與假說：

  • 2.1為何羽毛球在飛行時總是能以球頭朝著前方飛行？
  • 2.2氣球在洩氣時為何無法像羽毛球那樣穩定地飛行？
  • 2.3羽毛球的羽毛排列方向使它在飛行時會旋轉，而子彈也因為槍管的膛線使它能夠旋轉，假設旋轉的角動量有助於飛行的穩定度，那我們應該將火柴火箭的尾翼設計成會使其旋轉嗎？
  • 2.4如果旋轉時的角動量有助於飛行的穩定度，為何沖天炮的設計跟目前的軍用火箭(圖一)都不會加入旋轉的設計？是成本考量還是另有其他原因導致捨棄角動量的設計？

(圖一、火箭)

名詞解釋:

  • 角動量—(L=rp=Iω)

物體的角動量是物體的位置向量和動量的叉積。角動量守恆最經典的應用就是陀螺儀，陀螺儀多用於導航、定位等系統。 日常生活可以觀察到的現象例如:陀螺旋轉時是立著的，沒有旋轉時是倒著的；腳踏車未行駛前容易傾倒，行駛後不易傾倒。

  • 2.5如果自己做的火柴火箭無法成功飛行，或是飛行效果不如預期，有可能是哪些原因造成失敗呢？



3.設計實驗與執行

  • 3.1將羽毛球從離地1.5公尺高的地方自由落體，觀察羽球落地時是以球頭端還是羽毛端著地（以球頭朝上、球頭朝下、球頭與羽毛端水平放置，三種起始狀態進行自由落體，每種狀態各測10次）
  • 3.1.1記錄觀測結果
　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　
起始狀態落地狀況（ex:球頭著地9次/側面著地1次/羽毛著地0次）
球頭朝上：
球頭朝下：
球頭與羽毛端水平放置：


  • 3.1.2列出可能導致實驗結果多次呈現球頭著地的原因ex:重力、空氣阻力……等。也列出可能導致側面著地及羽毛端著地的原因。


  • 3.2將羽球用繩子吊起(圖二)，接著用電風扇或吹風機從各個方向吹它，觀察羽球的球頭是否轉向
  • 3.2.1紀錄羽球頭轉向的情形，並比較3.1的實驗結果，寫下你認為從不同起始狀態自由落體而最後多次呈現球頭著地的原因

(圖二、3.2實驗示意圖)


  • 3.2.2分析實驗結果


  • 3.3製作火箭模型(如圖三，尾翼為6公分的正方形紙)，重複3.1的實驗，記錄不同起始狀態下，自由落體的著地情形

(圖三、火箭模型)

  • 3.3.1記錄觀測結果
　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　
起始狀態落地狀況（ex:球頭著地9次/側面著地1次/尾翼著地0次）
頭朝上：
頭朝下：
水平放置：


  • 3.3.2列出可能導致實驗結果多次呈現頭著地的原因ex:重力、空氣阻力……等。也列出可能導致側面著地及尾翼端著地的原因。


  • 3.4利用火箭模型重複3.2的實驗(圖四)，確認火箭模型跟羽毛球擁有相同特性

(圖四、3.4實驗示意圖)

  • 3.4.1紀錄實驗結果


  • 3.4.2將火箭模型尾翼折彎(圖五)，接著從離地1.5公尺處將火箭頭朝下自由落體，確認在掉落過程中，火箭模型會旋轉。

(圖五、火箭模型尾翼)


  • 3.5製作火柴火箭，然後測試火箭的性能
  • 3.5.1固定竹籤當作發射台，將發射後的情形畫在方格紙上(圖六)，紀錄至少20次

(圖六、將發射情形畫在方格紙上)


  • 3.5.2將火柴火箭的尾翼折彎(圖七)，將發射後的情形畫在紙上，紀錄至少20次

(圖七、火柴火箭尾翼彎曲)


  • 3.5.3比較上面兩個實驗的發射結果，3.5.1的火箭為沒有角動量的對照組，3.5.2的火箭為加入角動量的實驗組，比較兩組情形的發射落地點何組較為集中(火箭發射距離超過1公尺才具有比較意義，如果大多數火箭射程無法超過1公尺，請檢討製作火箭的失敗原因)



4.分析與結論

  • 4.1 能察覺日常生活中的現象，並進一步探究背後的原理。
  • 4.2 能將日常生活中觀察到的現象加以應用。
  • 4.3 能找出實驗失敗的原因，並得出修正方向。



5.教學目標與評量

  • 5.1 能將物理定律、物理原理應用在實做方面。
  • 5.2 勝負乃兵家之常事；失敗乃科學實驗之常事。能培養面對失敗的正向態度，並秉持科學精神再接再厲、從挫折中學習的積極態度。
  • 5.3 讓學生學習科學素養，即探究現象、提出假說、實驗證明假說，最後精緻化結果。




6.延伸問題：

抹好果醬的吐司一不小心從餐桌邊緣掉到地上的話，為什麼總是果醬面朝下？莫非定律(Murphy’s law)只是運氣問題？還是有物理原因？它跟羽毛球總是以球頭著地的原理一樣嗎？



註釋(莫非定律: 「凡是可能出錯的事均會出錯。」莫非定律自古以來即有，如民謠所說：「麵包落地的時候，永遠是抹奶油的一面著地。」)




7.參考資料：








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