動手學科學/物質科學II/活動內容與探究問題
| 活動頁名稱 | 活動內容 | 探究問題 | 解答 |
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| 鐘擺與滾珠 | 拿出牛頓擺，讓同學觀察牛頓擺的運作過程，1顆、2顆、3顆球的狀態，藉此來表示能量守恆，轉換成在日常生活中的實例。 | 牛頓擺中，為何拿起第一顆球放開後，只有最後一顆球會往上擺 | 可以一次看兩顆，第一顆球與第二顆球質量相同，因此彈性碰撞之後速度會交換(v1=v,v2=0變成v1=0,v2=v)。接著同理，v2又變成0而v3變成v...直到最後一顆球以速度v彈起為止。 |
| 如果牛頓擺失敗，可能的原因有哪些？ |
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| 重現伽利略的鐘擺與滾珠實驗，並讓孩子嘗試，從提問、假設、實作、驗證引導學員的實驗過程。 | 在碗裡放滾珠，為何來回高度差不多?甚麼原因導致高度有差? | 珠子的能量前後接近守恆。滾動時無法避免的摩擦力導致能量損耗。 | |
| 啄木鳥 | 放下鳥體，鳥體緩慢落下 |
為何玩具啄木鳥會振動？ | 因為木片、竹片或環繞鐵絲的彈性，使玩具啄木鳥往復振動。 |
| 玩具啄木鳥的由上而下運動，是什麼能轉變成什麼能？ | 由位能轉變為動能 | ||
| 啄木鳥玩具為什麼要設計成鳥體來回振動？ | 讓重力加速度使物體落下的過程變慢，有利於同學觀察。 | ||
| 能量變變變 | 了解各式各樣能量的存在形式，並且知道相互之間如何轉換。例如本次教學例子:電解水(電能轉化學能)、電磁爐(電能轉熱能)、光轉機(光熱能轉動能)、水火箭(化學能轉動能)、水草光合作用(光能轉化學能)、竹筷槍(彈力位能轉動能)、史特林引擎(熱能轉動能)。 | 用鐵鎚敲擊鐵條，鐵條會發熱的原因是因為？ | 能量轉移、內部原子互相震動，造成摩擦生熱 |
| 鐵鎚敲擊造成鐵條變熱，符合甚麼物理現象？ | 能量轉換，由動能轉為熱能 | ||
| 植物為何要行光合作用？ | 將太陽的光能轉成有機物質的化學能儲存，接著化學能再根據需求釋放出來維持生命機能。 | ||
| 永動的謊言 | 在水桶中加入8分滿的水，加熱實驗用空心彈簧，放入事先預備好的水中，利用彈簧吸水、排水以及轉動的角動量，使實驗用空心彈簧不斷旋轉。 | 孤立系統的熵可以減少嗎？這叫做什麼原理？ | 無法，這叫做熵增加原理(熱力學第二定律) |
| 利用實際現象證明，永動機不可能實現，證明此理論並不成立，也使用電磁學裏的冷次定律，延伸能量守恆定律的應用範圍。 | |||
| 掉落的紙 | 夾百元：老師放下百元，讓學員夾百元 |
您跟您身邊的人之間有沒有重力吸引？為什麼您感覺不到？ | 有，兩個具有質量的物體間都會有重力。因為重力常數非常小，數量級以標準單位來看大概是10-11次方 |
| 為什麼紙會向下飄呢？ | 因為有向下的重力 | ||
| 為什麼紙張降落時不會直直落下呢？ | 跟紙的形狀有關，形狀對空氣阻力的影響很大，如果在真空中，則速度都是一樣的。 | ||
| 四大基本交互作用是哪幾個呢？ | 重力、電磁力、弱交互作用及強交互作用一起構成自然界的四大基本交互作用。 | ||
| 紙張與球哪個掉得快？ | 球快。 傳說1590年伽利略曾在義大利比薩斜塔上做自由落體實驗，將兩個重量不同的球體從相同的高度同時扔下，結果兩個鉛球同時落地，伽利略在比薩斜塔做自由落體實驗的故事，記載在他的學生維維亞尼在1654年寫的《伽利略生平的歷史故事》(1717年出版)一書中，但伽利略、比薩大學和同時代的其他人都沒有關於這次實驗的的記載。對於伽利略是否在比薩斜塔做過自由落體實驗，歷史上一直存在著支持和反對兩種不同的看法。 |
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| 若考慮一個真空環境紙張會更好接住嗎？ | 會，真空環境下，掉落的紙張就像一顆掉落的球一樣。 1971年，阿波羅 15 號太空人在月球上同時丟下獵鷹羽毛與鐵鎚，證明真空環境下，不同物體的重力加速度會一樣。 |
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| 射紙牌：調動手指，扭曲紙牌後拋出，紙牌能穩定在空中飛行一段時間 | 紙牌射出時的旋轉會使得紙牌飛得更直嗎？ | 會，角動量守恆是指系統所受合外力矩為零時系統的角動量保持不變。根據物體繞定軸旋轉時會產生固定方向的角動量特性，若再加給它一個移動的速度，則物體便能在此條件 下穩定的移向既定目標 | |
| 倒與不倒 | 不倒酒瓶 |
請在圖中畫一條線(推測)，通過「不倒酒瓶組」的重心與支撐點，並以文字加以說明。 | 兩者重心的重力對於支點會力矩平衡。 |
| 困難的行為 | 頭頂與腳尖靠著牆壁，為何無法墊腳尖 | 因為重心在腳尖後方，一翹腳尖，就會因為重心在後方而跌下來 | |
| 身體背部與後腳跟靠著牆壁，為何無法不翹腳尖蹲下 | 因為蹲下時，身體的構造為了平衡，以雙腳為重心點必須有部分在雙腳腳跟前方，部分在後放(屁股位置)，因此因為牆壁限制了屁股往後，所以只能翹腳尖 | ||
| 滑膛泡的射擊原理 | 滑膛炮的炮管沒有膛線，那它相較於有膛線的砲管有甚麼好處? 這是與甚麼原理相關？ | 可以有較高的移動動能(破壞力較高)且砲管較不易磨損。能量守恆，轉動動能降低，移動動能增加。 | |
竹籤平衡鳥 |
竹籤平衡鳥為什麼可以達成平衡？ | 只要物體的重心在支撐點的正上方或正下方，物體就可以維持平衡。竹籤平衡鳥利用黏土配重，使整隻竹籤平衡鳥的重心位於支撐點的下方，經過幾次擺動調整，平衡鳥的重心會漸漸擺到支撐點的正下方。 | |
| 吹箭 | 將細吸管前端加上黏土最為箭，將細吸管放入粗吸管，用力吹氣，就形成了吹箭 | 吹箭的製作要點是什麼？如何吹才能射得遠？ | 吹管的長度要控制適當，太短動能不足，太長使得阻力太大也會飛不遠。要飛的遠，吹管的射出角度也要控制適當。 |
| 吹箭的裝置在現代有什麼應用價值？ | 主要為娛樂用途，就像射擊場一樣 | ||
| 竹蜻蜓 | 以打包帶與簡單的吸管製作成為竹蜻蜓 |
使竹蜻蜓飛升的原理是什麼？ | 利用上下氣流流速不同的壓力差產生升力 |
| 竹蜻蜓有那些應用實例？ | 直升機、飛機機翼 | ||
| 竹蜻蜓除了用手搓動，還可以有什麼驅動方法？ | 用細繩驅動(例如：甩陀螺或扯鈴) | ||
| 飛行火箭 | 射擊汽球： 長條氣球灌氣，在氣球一端約5cm處纏上三圈的水電膠布，用左手握住長條氣球約3/1的位置，右手用食指往這1/3的尾端戳進去，打開左手氣球飛出
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單純的長條氣球，為何射不直？ | 空氣阻力的影響，會造成頭尾亂跑。 |
| 在氣球前方加上膠帶後，為何飛行路徑就會變直？ | 氣球前方慣性變大，空氣阻力較難改變其運動方向，因此後方未纏膠帶慣性較小的部分，便只能跟著前方前進。 | ||
| 生活中，有什麼類似射擊氣球飛行軌跡的休閒運動？ | 羽毛球、踢毽子等。 | ||
| 請舉出一個應用作用力與反作用力原理的例子。 | 走路。腳向地板施一個向後的力，同時地板會給身體一個向前的力 | ||
| 槍管或炮管加螺旋的膛線，讓子彈或炮彈旋轉，前進時彈頭方向會比較穩定。這是運用哪一個原理？ | 角動量守恆 | ||
| 壓縮彈簧 | 表演將彈簧壓縮，與將彈簧拉長，請同學觀察彈簧受多少力 | 請舉出一個應用虎克定律的例子。 | 基本上跟彈簧有關的例子都可以(符合F=-kx) |
| 彈力是什麼呢？ | 彈力(elastic force)是指發生彈性形變的物體由於要恢復原狀，對他接觸的物體產生的力。但如果形變過大，即超過了彈性限度則不再產生彈力。彈力產生時，發生彈性形變的物體為施力物體，和它接觸的物體為受力物體。平時所指的彈力一般是壓力、支持力、拉力和推力。 | ||
| 投石器 | 運用槓桿原理將物體拋出 | 以尺製作的更簡易投石器，是否有相似之處? | 尺的形變為位能、尺的位能轉為物體彈出的動能、要讓尺受力時不轉動，要讓它力矩為0(利用槓桿原理) |
| 漂浮鐵鎚 |  |
為什麼懸掉鐵鎚的尺不會傾倒到桌子以外？ | 只要物體的重心在支撐點的正上方或正下方，物體就可以維持平衡。此例中，支撐點(面)在桌面上方與尺接觸的那一片空間；而鐵鎚的大多數重量位於鎚頭上，使得「尺、線、鐵鎚聯合體」的重心，位於桌面下方，且剛好在支撐面的正下方，此時支撐點(面)左方的力矩與右方的力距剛好相等，系統就會維持平衡。 |
| 將一個竿子中隨機設立一個支點，並透過微調兩側的重量達到其平衡 | 生活中有哪些利用槓桿原理的例子？ | 指甲刀、開罐器、掃把、筷子 | |
不規則的剛體如右圖：   |
怎麼找出不規則剛體的重心？ | 先找一個端點黏上一條細線，拉起直線，使物體自由下墜，待停止不動便能找到第一條延伸自細線的直線(鉛垂線)，將此直線畫在物體上，隨後再找第二個端點，以同樣方法畫出第二條鉛垂線，兩鉛垂線線會交於一點，即為重心。 | |
| 玩水 | 雙管噴水：兩支吸管都插在瓶內，然後用手(或粘土)封住瓶口，對其中一支吸管吹氣，增加瓶內的氣壓，水就會從另一支吸管中跑出來。 | 為什麼在溫度不變的情況下，對瓶內吹氣，水就會從另一支吸管中跑出來？ | 根據 PV=nRT ，溫度 T 固定，對瓶內吹氣會讓瓶內的分子數 n 變大，瓶內氣體的體積 V 就會變大(有點像吹氣球)，將水擠出瓶內。 |
| 吸管下方接有水的臉盆，甩動吸管上方開口，水會逆行噴出 https://youtube.com/watch?v=239nBMLjZQ8 |
如何讓水從低處往高處移動？ | 增加低處的壓力，或減少高處的壓力。 | |
| 白努力定律是什麼？ | 流體在溫度固定時，流速越快，垂直於流速方向的壓力就會越小。 | ||
| 使水往高處運動在生活中有什麼應用？ | 幫浦，將水由低往高處抽。 | ||
| LED燈 組裝 |
使用紅黑色單芯線以及快接頭，將紅、藍、綠 LED 燈，分別與電池座並聯，並且分別在紅色 LED 燈與綠色 LED 燈前各串聯一顆 10 歐姆的電阻。最後用衣夾將電路組固定在一個可以將色光三原色聚集的容器上。 | 紅藍綠LED次序交換會發生什麼事呢？ | 投影在碗壁上投影的彩色影子顏色順序改變。 |
| 在紅色、綠色LED前加電阻的目的是？ | 紅色及綠色LED工作電壓為1.8V~2.2V，若直接並聯3V電源，容易造成LED燒掉，因此在需分別在紅色及綠色LED前串聯小電阻降壓。 | ||
| 如果三顆紅藍綠燈由並聯改為串聯，會發生什麼？ | 紅色及綠色LED的工作電壓為1.8V~2.2V，藍色LED的工作電壓為3V-3.2V，若三顆LED改為串聯，則僅提供3V電壓無法讓三顆LED同時發亮。 | ||
| 磁場與磁鐵 | 介紹永久磁鐵的特性以及其中的科學原理 | 從電子的角度，說明磁鐵磁性的起源。 | 由於鐵磁性物質的價電子(最外層電子)軌域有許多方向相同的電子，因此許多這樣的鐵磁性原子集合起來可以在無外加磁場下得到一個淨磁場。 |
| 使用磁力觀察片觀察磁鐵內部的排列方式 | 磁力觀察片為什麼可以看到磁場？ | 因為磁力觀察片是一種含有液態磁粉的軟質薄片，透過磁場極性的感應，可以重新排列液態磁粉，清楚看到磁場是何種配向，及得知磁鐵上的磁極有多強。 | |
| 自製指北針，幫助學員探討磁鐵與生活當中的的應用 | 為什麼指北針的指針靜止時，指北針的尖端會指向北方? | 指北針的指針受到地磁的磁力影響，指針 N 極受到地磁的 S 極吸引， 指向北方； 指針 S 極受到地磁的 N 極吸引，指向南 方。所以在地球上任何一個地方，指北針指針 都指向北方。 | |
| 自製磁鐵實驗，使用單極多面磁鐵片的特性，讓具有同樣特性的小怪物人偶在單極多面磁鐵製作的軌道上移動。 | 單極多面磁鐵片上面，是如何排列磁鐵，使得一面磁力很強，另一面磁力很弱？ | 使用海爾貝克陣列，如  |
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| 磁浮賽馬 | 自製懸浮磁鐵：
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如何在不使用手輔助的情況下使得磁鐵懸浮半空中？ | 運用同極磁鐵互相排斥的斥力，去抵消重力，就可以讓磁鐵懸浮在空中。 |
| 在竹籤(或筆芯)上的磁鐵距離杯蓋的最佳位置是？ | 磁鐵最佳位置為杯蓋上方距離1cm處。 | ||
| 底部泡棉存在的意義是什麼？泡棉上膠帶的功能是什麼呢？ | 底部泡棉用作固定中心軸竹籤(或筆芯)，泡棉上的膠帶可減少旋轉時的摩擦力。 | ||
| 塑膠杯蓋上其中一顆磁鐵轉換磁極方向，會發生什麼事？依序增加杯蓋上磁極改變的磁鐵，會有什麼效果？ | 磁鐵方向不統一，均會造成磁鐵力其中一側不平衡。直到磁鐵方向統一改變至同方向。 | ||
| 磁浮賽馬：在懸浮磁鐵上黏上圖片，旋轉筆芯，此時可以在筆芯中央的圖片上看見奔跑中的賽馬 | 電影或動畫是運用了什麼原理？ | 視覺暫留。 | |
| 全影與半影 | 接續「LED燈組裝」，運用組裝後紅、綠、藍三色的 LED 燈，進行各種色光組合，並且用遮片增加色光組合的變化。 | 色光三原色是指哪三種顏色？ | 紅、綠、藍。 |
| 三色色光混合會得到什麼顏色？ | 白光。 |
