多多罐陀螺

出自 全民科學平台
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原作者:謝迺岳
關鍵詞:陀螺,轉動慣量,功能原理
同義詞:原住民陀螺,童玩陀螺

用多多罐製作陀螺,不但環保與懷舊,還可以探索許多科學原理.多多罐由聚苯乙烯PS為原料,因此很容易鑽洞與切割.使用小剪刀或鑽子即可在多多罐上鑽洞,若是先把鑽子加熱會更容易成型.把寶特瓶蓋蓋在多多罐口上,可以貯存豆子等小物、加工成玩具或樂器、更可能製成各種科學教具.


探究問題

如何利用環保材料設計一個完美的陀螺?怎樣使陀螺能轉動得很久?在我們的文化中,共有多少種形式的陀螺?各種設計與操作的科學原理為何?陀螺儀是現代科技,被使用在那些領域上?

實作項目

  1. 材料
    多多罐(100mL),寶特瓶蓋,竹筷(22cm),棉線(150cm),橡皮圈
  2. 製作
    在寶特瓶蓋與多多罐底中央處各鑽一個小孔,將瓶蓋蓋上多多罐後,再緊緊的插入一支竹筷成為陀螺.為了使陀螺轉動穩定,必須使用以下方法:
    1. 用雙手搓竹筷使陀螺轉動,練習穩定度,以使陀螺的轉動時間達到十秒鐘.
    2. 用另一個有洞的寶特瓶蓋做發射器.將棉線一端繞在陀螺頂端的竹筷上,另一端穿過發射器;將發射器貼緊竹筷而拉動棉線,陀螺即可穩定旋轉.
  3. 操作
    在以下實驗中,實驗一與二可選擇用雙手搓動或用棉繩拉動陀螺,實驗三必須使用棉繩拉動.
    1. 猜測:在多多罐的腰部綁上五條、十條、十五條橡皮圈,用相同的方法轉動陀螺,是否「橡皮圈的數量愈多」會使陀螺的「轉動時間增加」?猜測後再實做.
    2. 猜測:將十五條橡皮圈綁在多多罐上,但是分別綁在罐底、腰部、或平均分配,以改變陀螺的重心.用相同的方法轉動陀螺,是否「陀螺的重心愈高」會使陀螺的「轉動時間愈長」?猜測後再實做.
    3. 猜測:猜測:用棉繩與發射器使陀螺轉動.改變棉繩繞竹筷的圈數,如五圈、十圈或十五圈;是否「驅動陀螺的圈數愈多」會使陀螺的「轉動時間愈長」?猜測後再實做.


結果與討論

製作好陀螺的要件是穩定與平衡.讓陀螺轉得久的要素是較大的轉動慣量與較高的重心(內在因素),以及較大的力與較多的驅動圈數(外在因素).

  1. 結果:陀螺質量愈大(轉動慣量也愈大),陀螺就能轉得愈久.但是綁更多條橡皮圈不見得更有利,因為質量不平均或太重,也讓陀螺不易轉動.另外,在相同的作功條件,陀螺的轉動時間並非與陀螺質量成正比關係.
  2. 結果:陀螺的重心愈高時,倒下所需的時間就愈長,能使陀螺轉動得愈久.另外,本實驗將橡皮圈綁在多多罐底時,比綁在腰部離轉軸更遠,也會使「轉動慣量」增加,有利於使陀螺轉動得更久.
  3. 結果:初轉速愈高,陀螺就能轉得愈久.提高初轉速的方法是作功,也就是增加施力的大小與施力期間的轉動圈數.施力大小不易測量,但是愈長的繩子必然能增加施力期間的轉動圈數,作功較多使初速較大,陀螺就能轉得更久了.

教學目標

各年齡及各種教育程度皆可.

  1. 知識上:認識轉動慣量、轉動作功、功能轉換等原理,以及陀螺的現代科技.
  2. 技能上:學會陀螺的製作要領,以及使用簡單工具與材料的能力.
  3. 情意上:發現童玩的新價值,喜歡自己的傳統文化,更易領悟科學名詞與原理

應用

  1. 在科學上:轉動慣量、功能原理、重心的測量等教學活動.
  2. 在科技上:太空航行與無人車的定向裝置;藉製作陀螺,熟練工具與材料特性.
  3. 在藝術上:台灣原住民的陀螺形式與玩法(泰雅族橄欖形陀螺、布農族鞭陀螺、鄒族紡錘陀螺、排灣雙繩陀螺、阿美族檳榔陀螺、西拉雅地牛陀螺).
  4. 進階活動:遠拋陀螺使其落在定點轉動的原理與方法(客家陀螺).

參考資料