吹箭

出自 全民科學平台
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原作者:謝迺岳
關鍵詞:功能原理,拋體運動,重心
同義詞:吹矢,管箭
夜深了,鳥兒都在樹上沉睡了。幾位原住民小朋友在大哥哥的帶領下,輕步挪到大樹前,舉起長桿,插入箭矢。大家屏氣凝神,在大哥哥的一個眼神示意下,同時吹出箭矢;中箭的鳥兒紛紛落地,竟然沒有驚醒其他的鳥們。於是小朋友們再度裝上箭矢,舉起長桿……。


探究問題

吹箭的製作要點是什麼?如何吹才能射得遠?吹箭的裝置在現代有什麼應用價值?


實作項目

  1. 材料
    粗吸管,細吸管,粘土
  2. 製作
    把粗吸管的一端剪開成1cm的縱裂紋,把另一支粗吸管塞入裂紋後,就可以連結粗吸管成為不漏氣的吹管。
  3. 操作
    使用吹箭時,先把細吸管放入粗吸管中,用口含住粗吸管用力吹氣,箭矢就能飛出。
    1. 猜測:在細吸管的前端塞粘土;是否粘土愈多,箭矢飛得愈遠?先猜想再實做。
    2. 猜測:連接數支粗吸管成為吹管;是否吹管愈長,能使箭矢飛得愈遠?先猜想再實做。
    3. 猜測:吹管的仰角為幾度時,吹箭的射程愈大?先猜想再實做。


結果與討論

必須把細吸管的尾端剪成數片花瓣,將箭矢塞入粗吸管時花瓣靠近口部,吹氣時則不易漏氣而能飛得較遠。

  1. 結果:粘土的作用有二:調整箭矢的重心向前(飛行時的空氣阻力較小),增加重量(降低空氣阻力對箭矢的影響比例)。因此有最佳化的位置與重量,在本實驗中應該將重心移至箭矢前端1/5長的位置。
  2. 結果:吹管愈長,吹氣施力的距離也愈長,作功也愈大,使箭矢獲得較大的動能(功能原理)。然而當箭矢在管中運動時,吹管內部的空氣不易被排出而形成很大的阻力,因此較長的吹管反而使箭矢的出口動能減小。另外,本實驗的吹管由數支吸管連接而成,太多支粗吸管會造成吹管彎曲、連結處會造成卡彈、長的吹管壁有較大的摩擦力等,也使箭矢減速;因此吹管應有最佳化的長度。
  3. 結果:在簡化與理想化的模型中,如果質點從地面抛射的仰角為45度時,可以達到最大的水平射程。然而我們站立射擊時,應該使仰角降低而獲得較大的射程。另外,箭矢是長條狀物體,受到空氣阻力與浮力的影響,在飛行時箭頭會上揚(失速),因此吹管的仰角應該更低。



教學目標

不限年齡與教育程度,若是計算射程則須中學以上。

  1. 知識上:認識原住民的吹箭,學習功能原理,理解簡化與理想化的限制。
  2. 技能上:學會最佳化吹箭的方法,能夠計算射程。
  3. 情意上:喜歡原住民傳統科技,不畏懼科學的計算,願意與他人分享與競賽。

應用

  1. 在科學上:重心,功能原理,拋體運動,流體力學的學習。
  2. 在科技上:鐡公路隧道的流體力學,真空運輸管道的設計。
  3. 在藝術上:美化吹箭的吹管與箭矢,射遠與射準的競賽。
  4. 進階活動:依箭矢的射程與吹管的高度及仰角,推算箭矢的出口速度。

參考資料