"平衡鳥玩具" 修訂間的差異

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市面上有一種玩具:一隻鳥以尖嘴頂住一根桿子的頂端,鳥竟然能夠保持水平平衡。輕輕觸碰鳥的身體時,鳥兒只是微微晃動,並不容易傾倒,實在是太神奇了。
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原作者:謝迺岳<br>
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關鍵詞:轉動慣量,能量轉換,防震設計<br>
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同義詞:小雞啄米,消防員玩具<br>
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附影片:平衡鳥玩具<br>
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市面上有一種玩具:一隻鳥以尖嘴頂住一根桿子的頂端,鳥竟然能夠保持水平平衡。輕輕觸碰鳥的身體時,鳥兒只是微微晃動,並不容易傾倒,實在是太神奇了。<br>
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==探究問題==  
 
==探究問題==  
:a.平衡鳥保持平衡時,受到幾種作用力?平衡鳥的重心在那裡?
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:b.使用身邊的材料,我們如何設計平衡鳥造型?
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<div style="align-items:center;width:75%;">
:c.平衡鳥的原理在生活中有那些應用呢?
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a.平衡鳥保持平衡時,受到幾種作用力?平衡鳥的重心在那裡?<br>
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b.使用身邊的材料,我們如何設計平衡鳥造型?<br>
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c.平衡鳥的原理在生活中有那些應用呢?<br>
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<div style="align-items:center;"><img src='http://iap.ncue.edu.tw/images/wk02/01.jpg' width=180></div>
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==實作項目==
 
==實作項目==
#材料 <br>細鐡線(22cm)、油粘土(20g)、氣球棒(40cm)
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#製作<br>在一根氣球棒上,用細鐡線的一端繞四圈形成一個彈簧,鐡線的其餘部分須垂直氣球棒。把粘土分為7:1的兩份,大塊粘土揉成圓錐;作為氣球棒的底座並粘在桌上,小粘土再分為三等分並揉成小球。
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<div style="align-items:center;width:75%;">
#操作<br>調整氣球棒上的彈簧鬆緊度,使啄木鳥從氣球棒頂端降落至底座期間振動超過十次。解釋啄木鳥振動的原因、持續振動的能量從何而來、和啄木鳥下降期間的速度變化原因。
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#材料<br>長竹籤(40cm),塑膠球(直徑4cm),油粘土(20g),竹筷(20cm)
##猜測:把一顆粘土小球加在鐡線的尾端後,啄木鳥振動的頻率將如何變化?增加小球的數量時,振動頻率又會如何?猜測後再實作並記錄。
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#製作<br>把三支長竹籤貫穿塑膠球,在同一個平面上且成輻射狀;把油粘土揉成兩顆小球,分別粘在兩支竹籤的尾端;這個裝置即稱為平衡鳥玩具。
##猜測:不使用粘土小球,把長鐡線對折後,啄木鳥振動的頻率如何變化?把鐡線再對折一次,振動頻率又會如何?猜測後再實作並記錄。
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#操作<br>把一塊粘土製成三角錐並粘在桌上,又把一支竹筷插在粘土上成為支架。把平衡鳥的嘴尖(無粘土的竹籤尖端)放在竹筷的頂端,使平衡鳥保持水平而不倒。
##猜測:市售的啄木鳥玩具,在氣球棒頂端的小球有什麼作用?觀察自製的啄木鳥玩具當鳥兒下降時,氣球棒頂端的晃動情況,然後將粘土小球逐一粘在氣球棒頂端再作比較。猜測後再實作並記錄。 <br><img src='http://science4everyone.net/file/%E8%95%AD%E8%81%BF%E7%A8%8B/wk01%20%E5%95%84%E6%9C%A8%E9%B3%A5%E7%8E%A9%E5%85%B73.jpg' width=480>
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::#猜測:使鳥嘴變長(把第三支竹籤往前伸),鳥的身體會站起來還是倒下去?猜測後再實作並記錄。
==分析與結論==
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::#猜測:使鳥翼變輕(把兩塊粘土的質量各減少一半),鳥的身體會站起來還是倒下去?猜測後再實作並記錄。
以三個粘土小球與對折鐡線三次的方式,探討「轉動慣量」如何影響啄木鳥的「振動頻率」,是一種簡單的定性實驗。如果希望更為精確,可選用小鐡片來代替粘土小球。 <br>
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::#猜測:使鳥翼張開(把兩翼竹籤的夾角擴大)鳥的身體會站起來還是倒下去?。猜測後再實作並記錄。
#由細鐡線繞成的彈簧形成一個螺旋形的管子,套在氣球棒上。當鐡線振動時,某些時刻彈簧會卡住氣球棒,此時摩擦力等於啄木鳥的重量,使啄木鳥暫時停止移動。由於鐡線的末端仍在振動,因此會使彈簧擺正而與氣球棒不接觸,啄木鳥便因重力影響而向下墜落。
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#把粘土小球加在細鐡線的末端時,會增加鐡線的轉動慣量,也就是慣性增大而使啄木鳥振動的頻率變小。反之,把長鐡線對折後,鐡線的轉動慣量變小而使振動頻率變大。調整鐡線的長度、重量、和質量的分佈,就可以控制啄木鳥依照我們期望的頻率來振動。
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<div style="align-items:center;"><img src='http://iap.ncue.edu.tw/images/wk02/02.jpg' width=180></div>
#當啄木鳥下降時,氣球棒頂端會劇烈搖晃。如果在氣球棒頂端粘貼重物,較大的慣性會使氣球棒的振動頻率減少,且搖晃幅度降低。 <br><img src='http://science4everyone.net/file/%E8%95%AD%E8%81%BF%E7%A8%8B/wk01%20%E5%95%84%E6%9C%A8%E9%B3%A5%E7%8E%A9%E5%85%B74.jpg' width=480>
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==結果與討論==
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平衡鳥在平衡時,重心在支點(鳥嘴)的下方。類似掛在竹竿上的衣架,在輕微晃動時重心會升高,但是重力力矩會使重心往原來的位置移動,而回到原來的平衡狀態,因此稱為「穩定平衡」。本探索中的實驗可以量化;例如使鳥嘴變長的操作中,把竹籤每次推動1.0cm;或使鳥翼變輕的操作中,使兩塊粘土每次都減少相同的質量,以使實驗更為精確。 <br>
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:#鳥嘴變長時,重心會升高,鳥將倒下且平衡趨於不穩定。
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:#鳥翼變輕時,重量減輕了且重心會升高,鳥將倒下且抵抗外力矩的能力降低。
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:#鳥翼張開時,重心會升高,鳥將倒下且平衡趨於不穩定。
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==教學目標==
 
==教學目標==
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<div style="display:flex;justify-content:space-between;">
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<div style="align-items:center;width:75%;">
 
本活動適合K~12的學生,在社區大學對各種年齡與教育程度的學員實施時也饒有趣味。
 
本活動適合K~12的學生,在社區大學對各種年齡與教育程度的學員實施時也饒有趣味。
#知識上:學生認識能量轉換的現象。當啄木鳥下降時,重力位能轉換為動能,動能又因振動而轉變為熱能。由於重力位能源源不絕的供給,啄木鳥就能夠不停振動。 
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:#知識上:學生能認知物體在平衡時,重心愈低愈易保持平衡。重心若在支點的下方,更容易維持平衡狀態。
#技能上:鼓勵學生動手做,體會定性或簡單的定量實驗。使用簡單的工具與操作流程,讓學生更喜歡科學。
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:#技能上:鼓勵學生動手做,體會定性或簡單的定量實驗、認識相關的科學現象與原理、使用簡單的工具與操作流程,引起學習動機而讓學生更喜歡科學。
#情意上:以童玩引發學習動機。使用身邊的器材與回收品,重視環保議題與生活應用。
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:#情意上:使用身邊的器材與回收品,能讓學生重視環保議題與生活應用。本活動適合K~12的學生,在社區大學對各種年齡與教育程度的學員實施時也饒有趣味。親子活動中,大人與孩童可以相互觀摩或競賽,讓人際關係更和諧。
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==應用==
 
==應用==
#在物理上:作為運動學、能量轉換、轉動慣量等主題之探索活動。
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#在科技上:作為建築防震。例如台北101大樓的阻尼球及中國宮殿的斗拱,都有在建築物頂端加重的設計。
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<div style="align-items:center;width:75%;">
#在藝術上,可以把細鐡線彎折成鳥形或愛心,或在鐡線末端貼上可愛圖片,是很好的療癒設計,送禮自用兩相宜。
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:#在科學:作為重心主題之探索活動。
#用棉線代替氣球棒,藉著拉緊或放鬆棉線,可以控制啄木鳥的落下速度。若把鐡線衣架展開再繞成圓環(兩端用氣球棒連結),可以讓啄木鳥持續振動很久。
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:#在科技:衣架、天平與懸臂吊車,都是平衡鳥的應用實例。
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:#在藝術:紙牌、細鐡線與吸管都是很好的
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材料,用於設計平衡鳥很療癒,送禮自用
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兩相宜。
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==參考資料==
 
==參考資料==
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===平衡鳥玩具===
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市面上有一種玩具:一隻鳥以尖嘴頂住一根桿子的頂端,鳥竟然能夠保持水平平衡。輕輕觸碰鳥的身體時,鳥兒只是微微晃動,並不容易傾倒,實在是太神奇了。 <br>
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#探究問題 <br>    平衡鳥保持平衡時,受到幾種力的作用?平衡鳥的重心在那裡?使用身邊的材料,我們如何設計平衡鳥造型?平衡鳥的原理在生活中有那些應用呢?<img src="http://science4everyone.net/file/%E8%95%AD%E8%81%BF%E7%A8%8B/wk02%20%E5%B9%B3%E8%A1%A1%E9%B3%A5%E7%8E%A9%E5%85%B7%20-%201.jpg" width="480" ><img src="http://science4everyone.net/file/%E8%95%AD%E8%81%BF%E7%A8%8B/wk02%20%E5%B9%B3%E8%A1%A1%E9%B3%A5%E7%8E%A9%E5%85%B7-2.jpg" width="480"><br>
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#實作項目
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##材料 <br>    長竹籤(40cm),塑膠球(直徑4cm),油粘土(20g),竹筷(20cm)
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##製作 <br>    把三支長竹籤貫穿塑膠球,在同一個平面上且成輻射狀;把油粘土揉成兩顆小球,分別粘在兩支竹籤的尾端;這個裝置即稱為平衡鳥玩具。
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##操作 <br>    把一塊粘土製成三角錐並粘在桌上,又把一支竹筷插在粘土上成為支架。把平衡鳥的嘴尖(無粘土的竹籤尖端)放在竹筷的頂端,使平衡鳥保持水平而不倒。
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###猜測:使鳥嘴變長(把第三支竹籤往前伸),鳥的身體會站起來還是倒下去?猜測後再實作並記錄。
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###猜測:使鳥翼變輕(把兩塊粘土的質量各減少一半),鳥的身體會站起來還是倒下去?猜測後再實作並記錄。
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###猜測:使鳥翼張開(把兩翼竹籤的夾角擴大)鳥的身體會站起來還是倒下去?。猜測後再實作並記錄。
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#分析與結論 <br>平衡鳥在平衡時,重心在支點(鳥嘴)的下方。類似掛在竹竿上的衣架,在輕微晃動時重心會升高,但是重力力矩會使重心往原來的位置移動,而回到原來的平衡狀態,因此稱為「穩定平衡」。本探索中的實驗可以量化;例如使鳥嘴變長的操作中,把竹籤每次推動0.5cm;或使鳥翼變輕的操作中,使兩塊粘土每次都減少相同的質量,以使實驗更為精確。
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##鳥嘴變長時,重心會升高,鳥將倒下且平衡趨於不穩定。
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##鳥翼變輕時,重量減輕了且重心會升高,鳥將倒下且抵抗外力矩的能力降低。
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##鳥翼張開時,重心會升高,鳥將倒下且平衡趨於不穩定。
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#教學目標
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##知識上:學生能認知物體在平衡時,重心愈低愈易保持平衡。重心若在支點的下方,更容易維持平衡狀態。
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##技能上:鼓勵學生動手做,體會定性或簡單的定量實驗、認識相關的科學現象與原理、使用簡單的工具與操作流程,引起學習動機而讓學生更喜歡科學。
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##情意上:使用身邊的器材與回收品,能讓學生重視環保議題與生活應用。本活動適合K~12的學生,在社區大學對各種年齡與教育程度的學員實施時也饒有趣味。親子活動中,大人與孩童可以相互觀摩或競賽,讓人際關係更和諧。<br><img src="http://science4everyone.net/file/蕭聿程/wk02 平衡鳥玩具-3.jpg" width="480">
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#應用 <br>在科學:作為重心主題之探索活動。<br>在科技:衣架、天平與懸臂吊車,都是平衡鳥的應用實例。 <br>在藝術:紙牌、細鐡線與吸管都是很好的材料,用於設計平衡鳥很療癒,送禮自用兩相宜。
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#參考資料
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#學習單
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http://science4everyone.net/file/蕭聿程/學習單wk02%20平衡鳥玩具.pdf
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於 2020年12月13日 (日) 20:34 的修訂

原作者:謝迺岳
關鍵詞:轉動慣量,能量轉換,防震設計
同義詞:小雞啄米,消防員玩具
附影片:平衡鳥玩具

市面上有一種玩具:一隻鳥以尖嘴頂住一根桿子的頂端,鳥竟然能夠保持水平平衡。輕輕觸碰鳥的身體時,鳥兒只是微微晃動,並不容易傾倒,實在是太神奇了。

探究問題

a.平衡鳥保持平衡時,受到幾種作用力?平衡鳥的重心在那裡?
b.使用身邊的材料,我們如何設計平衡鳥造型?
c.平衡鳥的原理在生活中有那些應用呢?

實作項目

  1. 材料
    長竹籤(40cm),塑膠球(直徑4cm),油粘土(20g),竹筷(20cm)
  2. 製作
    把三支長竹籤貫穿塑膠球,在同一個平面上且成輻射狀;把油粘土揉成兩顆小球,分別粘在兩支竹籤的尾端;這個裝置即稱為平衡鳥玩具。
  3. 操作
    把一塊粘土製成三角錐並粘在桌上,又把一支竹筷插在粘土上成為支架。把平衡鳥的嘴尖(無粘土的竹籤尖端)放在竹筷的頂端,使平衡鳥保持水平而不倒。
  1. 猜測:使鳥嘴變長(把第三支竹籤往前伸),鳥的身體會站起來還是倒下去?猜測後再實作並記錄。
  2. 猜測:使鳥翼變輕(把兩塊粘土的質量各減少一半),鳥的身體會站起來還是倒下去?猜測後再實作並記錄。
  3. 猜測:使鳥翼張開(把兩翼竹籤的夾角擴大)鳥的身體會站起來還是倒下去?。猜測後再實作並記錄。


結果與討論

平衡鳥在平衡時,重心在支點(鳥嘴)的下方。類似掛在竹竿上的衣架,在輕微晃動時重心會升高,但是重力力矩會使重心往原來的位置移動,而回到原來的平衡狀態,因此稱為「穩定平衡」。本探索中的實驗可以量化;例如使鳥嘴變長的操作中,把竹籤每次推動1.0cm;或使鳥翼變輕的操作中,使兩塊粘土每次都減少相同的質量,以使實驗更為精確。

  1. 鳥嘴變長時,重心會升高,鳥將倒下且平衡趨於不穩定。
  2. 鳥翼變輕時,重量減輕了且重心會升高,鳥將倒下且抵抗外力矩的能力降低。
  3. 鳥翼張開時,重心會升高,鳥將倒下且平衡趨於不穩定。

教學目標

本活動適合K~12的學生,在社區大學對各種年齡與教育程度的學員實施時也饒有趣味。

  1. 知識上:學生能認知物體在平衡時,重心愈低愈易保持平衡。重心若在支點的下方,更容易維持平衡狀態。
  2. 技能上:鼓勵學生動手做,體會定性或簡單的定量實驗、認識相關的科學現象與原理、使用簡單的工具與操作流程,引起學習動機而讓學生更喜歡科學。
  3. 情意上:使用身邊的器材與回收品,能讓學生重視環保議題與生活應用。本活動適合K~12的學生,在社區大學對各種年齡與教育程度的學員實施時也饒有趣味。親子活動中,大人與孩童可以相互觀摩或競賽,讓人際關係更和諧。

應用

  1. 在科學:作為重心主題之探索活動。
  2. 在科技:衣架、天平與懸臂吊車,都是平衡鳥的應用實例。
  3. 在藝術:紙牌、細鐡線與吸管都是很好的

材料,用於設計平衡鳥很療癒,送禮自用 兩相宜。

參考資料