光碟車

出自 全民科學平台
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原作者:謝迺岳
關鍵詞:機械能,力矩,童玩
同義詞:線軸車
從前家家戶戶都有縫紉機,媽媽們用完的木製線軸很多,丟棄了可惜。爺爺就用線軸做了一輛小車,拖了一根小棍子在地上跑不停,小朋友們追著小車跳躍,歡樂了一整天。


探究問題

線軸車的驅動原理是什麼?在線軸車內部的橡皮圈是不是愈多愈好?線軸車上的小棍子是不是愈長愈好?使用光碟片製作線軸車,兩個輪子的間距是不是愈開愈好?用更多光碟片(更重)會不會跑得愈遠?


實作項目

  1. 材料
    光碟片,橡皮圈,注射針筒(10mL),吸管,點火槍,剪刀,細鐡線,竹筷
  2. 製作
    用點火槍把光碟片中央的洞烤軟,然後讓注射針筒穿過洞並卡緊在光碟片上。把注射針筒的尖端剪斷並把孔挖大;接著把一支吸管剪成長度1:3的兩段,將兩條橡皮圈綁在短吸管上,藉細鐡線穿過針筒的洞,在針筒另一端再把橡皮圈綁在長的吸管上。用一手握住光碟片,另一手旋轉吸管30圈後,把光碟車放在地面就能跑很遠。
  3. 操作
    兩張光碟片必須卡緊在針筒上,光碟片保持平行且間隔1cm以上。如果短吸管有打滑的現象,就用一片泡棉膠把吸管貼在光碟片上。
    1. 猜測:用竹筷代替吸管,是否竹筷愈重能使光碟車走得愈遠?先猜想再實作。
    2. 猜測:用數支吸管相接,是否吸管愈長能使光碟車走得愈遠?先猜想再實作。
    3. 猜測:增加光碟片,是否光碟片愈多能使光碟車走得愈遠?先猜想再實作。


結果與討論

本實驗使用兩條橡皮圈且固定旋轉30圈,是一種最佳化的設定。若使用較多條橡皮圈或旋轉更多圈以貯存彈力位能,光碟車就會暴衝或原地轉圈,因此效果不見得更好。本實驗主要探討在固定彈力位能時,光碟車的結構如何影響行車的距離。

  1. 結果:光碟車的桿子接觸地面,使桿子不能轉動;在彈力釋放時,光碟片即轉動而使車子前進。但是桿子愈重,壓迫地面的力量愈強,造成摩擦力增加,使車子轉彎(以桿子接觸地面的點為軸心)而不能走遠。
  2. 結果:吸管愈長,桿子壓迫地面的力量減弱,使車子行進的曲率半徑增加,也就是車子能走遠。
  3. 結果:由於車子移動是利用最大靜摩擦力,因此車子增重(增加光碟片數目)不會使車子走不動。反之,車子變重使橫向的摩擦力增加,使車子不易偏向,而可以行走很遠。



教學目標

各年齡及教育程度皆適用。

  1. 知識上:認識力矩與角動量守恆,發現廢棄光碟的用途。
  2. 技能上:能用身邊的材料製作玩具,能發現變因並做實驗。
  3. 情意上:珍惜物資與能量,愛惜環境,喜歡老人家的智慧。

應用

  1. 在科學上:力矩,轉動的力學,功能原理的教學。
  2. 在科技上:能量轉換,機械原理。
  3. 在藝術上:精緻化,平衡與穩固。
  4. 進階活動:探究兩張光碟片輪子的間隔大小,對光碟車運動的影響。

參考資料