彈珠樂園

出自 全民科學平台
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原始設計者:羅芳晁


1.實驗目的

以規定的簡單材料製作彈珠模擬盪鞦韆和雲霄飛車的活動,藉以探討 慣性定律、槓桿原理、能量轉換及水平拋射運動的現像,並以其運動軌跡 之準確操控為目標來進行比賽,寓教於樂,故以彈珠樂園為名。

2.實驗原理

分為兩部分,其中:活動一的設計是根據擺動鞦韆上的的彈珠,因鞦 韆板撞停仍能維持運動慣性而向前滾出的現像,使其沿著傾斜的不等臂蹺 蹺板上滾時,由於重心的改變,蹺蹺板變換了傾斜的方向,活動中若軌跡 控制妥當,彈珠便能滾向得分區獲得比賽的佳績,當然用趣味的競賽方式 獲取科學原理之學習才是我們最大的目標。


活動二則根據彈簧或橡皮筋發生形變時,可儲存彈性位能,而彈性位 能又可釋放轉換為動能的性質,我們設計了一個模擬雲霄飛車的實驗來進 行比賽,從快快樂樂的比賽中探討能量轉換的關係與鉛直圓運動的物理原 理,也能從軌跡操控時獲知水平拋射的物理知識。

3.活動一:彈珠盪鞦韆

準備材料

大會: 竹筷子 5 雙

外徑 2.8cm

內徑 1cm 的墊圈

2 個薄雙面膠帶100cm

單面透明膠帶 1 小捲

橡皮筋 10 條

ABC 彩色黏土 10cm×5cm×2 cm(大約)2 塊

直徑 2 .5 cm 桐木彈珠

8 個、長度 22 cm 直徑 1.3 cm 的大吸管 2 支

一般小吸管(直徑約為0.5mm~0.8mm)

5 支、A4 珍珠板

3 片、8.7cm×5.3cm 樸克牌 4張

長度 100cm 的細棉線1條

直徑7.5cm;高 9.1cm容量 200cc的紙杯 2 個

塑膠製墊杯 1 個。


自備:尺、美工刀、剪刀、筆。


競賽製作

以大會所發給的材料,於 15 分鐘內,四位隊員中的兩位各製作一組 樸克牌鞦韆及鞦韆架,另兩位則各製作不等臂蹺蹺板及水平檔板各一組, 並調整妥善以利參加競賽。製作時注意下列規定,不符規定者,競賽成績 以零點計入。

1.樸克牌鞦韆及鞦韆架: 把樸克牌一側長邊下摺成為ㄏ形,尺寸關係大約如圖一(a)所示(誤 差不得超越 1cm),其中水平的寬面作為鞦韆板面,垂直向下的窄面 為擺動時之前端,它被設計用來撞擊擋板,以使鞦韆停止擺動。在 鞦韆板之上水平寬面的中央以雙面膠帶黏上一片墊圈,作為彈珠座 以放置彈珠。把細棉線製成可懸掛鞦韆的擺線,製作時可在鞦韆板 之下水平寬面的較窄兩側,選擇適當的對稱位置,用透明膠帶把它 們固定妥當,如圖一(b)所示。最後再將擺線之一端綁在鞦韆架的水 平橫桿上(綁線方式不限制),而完成了鞦韆的裝置。 鞦韆架用筷子組成ㄇ字形,架柱下方可用 ABC 彩色黏土(參考圖四) 或大會提供之材料自行設計組合基座來固定,但鞦韆架的水平橫桿 離桌面的高度不得超越 30cm,又組合時限定只能選用大會提供的透 明膠帶、橡皮筋、筷子及黏土為材料。

2.水平檔板及不等臂蹺蹺板:在 A4 珍珠板之底面的相對兩側邊附近,各用雙面膠帶黏上小吸管, 使板面水平墊高做成水平檔板,如圖二所示。 把 A4 珍珠板切割成為長 30cm 寬 10cm 的兩個長板條,再用以製成兩 個不等臂蹺蹺板。製作時在靠近每個長板條一端的平面上黏一適當 長度的小吸管作為墊底,並調整此端使它和水平檔板有相等高度, 接著在板的同面距離墊底小吸管超過16cm以上自行選定一個適當位 置,在此位置黏上一隻大吸管做為轉軸,如圖三所示。 不等臂蹺蹺板的正面(和轉軸相反而方向朝上的一面),在其長邊的 兩側面可各自黏上一隻小吸管作為護欄,護欄的兩端限定在轉軸與墊底吸管位置間,不得超越,但護欄間距及形狀可自由設計。


3.得分紙杯由大會布置,其位置如圖四所示,杯口水平面離桌面高度 為 10cm,杯心在蹺蹺板中心線正下方。



競賽說明

1.每隊分成一、二兩組,各組使用自己的造型依序參賽,造型或其附件不得與它組共用,也不可借用他隊之造型或零件,經發現者,本項不于計分,也不得補賽。

2.競賽時,每隊各組可用總時間為 3 分鐘,時間結束,計分即確定,逾時部分不算。

3.競賽時,在總裁判號令下開始計時,才可將裝置安置於桌面上,裝置的排列如圖四所示。

4.各隊第一組操作完畢,應立即拆除並移走裝置,裝置移清後第二組才可接力開始裝置,並進行比賽操作,否則視同違規,成績不算。後面一組若使用前組的任何殘留材料或裝置,易視同違規,成績不計,又所有過程的計時均不暫停仍繼續累加,時間用畢競賽即結束。

5.競賽操作時,應該先把彈珠放在鞦韆板的墊圈孔座上,才准許將鞦韆拉高放手使其向下擺動,當下擺的鞦韆板撞到水平檔板而停下來的時後,彈珠因運動的慣性仍繼續前進,因此操作正確時,彈珠將會沿圖四所示之路徑滾入紙杯內而得分。

6.將鞦韆板拉高及放手擺動後的過程不得以任何方式去觸碰彈珠,違規者不于計分。

7.每一參賽隊員均需下場操作,每人操作兩次,兩組四人成績總和為該隊之活動一的成績,其計分方式如表 1。

8.競賽中若有疑問應立即向現場裁判提出,賽後不與理會。

4.活動二:雲霄飛車

使用材料

大會:長度 22cm,直徑 1.3cm 的粗吸管 4 支

隊、長度 20cm 的竹筷子 4 支

隊、橡皮筋 4 條/隊、直徑 2.5cm 的桐木彈珠 8 個

隊、直徑 7.5cm;高 9.1cm 容量 200cc 的紙杯 5 個、塑膠墊杯 5 個

長度 100cm;寬度 1.45 cm 的電線壓條 1 條、20cm×6 cm×1.5cm

固定軌道用木板條 1 片、2.8×12mm 木螺絲(鐵 製品)。


自備:尺、美工刀、剪刀、十字形螺絲刀、筆。


競賽製作

以大會所發給的材料,於 10 分鐘內,參賽之四位隊員應分別各自製作一組撞擊器,而全隊共用的一組動能、位能轉換器,則可由一人或數人共同製作完成,最後將裝置調整妥善以利參加競賽。製作時注意下列規定,不符規定者,競賽成績以零點計入。

1.限定以大會提供之器材,現場製作撞擊器,如圖五中 A 部分,先把筷子的一端用橡皮筋綁緊,但要注意保留橡皮筋的另一端作為套環,最後把筷子套入吸管內(吸管可以裁剪),就完成了撞擊器。

2.動能、位能轉換器,如圖五中的 B 部分,以電線壓條製成直徑(或從水平木板條量起至最高點的鉛直距離)為 22cm 以上的鉛直圓環,圓環可用螺絲釘及壓條背膠將其固定在水平木板條上。(電線壓條不得剪斷,否則視同違規,分數以 0 分計)

3.得分杯使用五個紙杯分別由競賽者自行放置在指定的得分區,如圖六所示,其中出口位置 T 與杯口的高度差約為 20 cm,其最近水平距離則為 45cm(請參考圖六;圖五中未顯示此距離)。


競賽說明

1.競賽時,各隊四人分成兩組輪流上場,各組上場時,第一人持自行製作的撞擊器,第二位則拿塑膠彈珠,分別各就競賽位置,聽候裁判之號令來進行操作比賽。當第一人射擊完畢後,兩人角色交換,也就是第二位接替射擊,第一人改拿彈珠。

2.競賽開始時,第二人將彈珠靜止放在動能、位能轉換器 B 的彈珠入口位置 S 處,聽後裁判允許,第一人才能開使用撞擊器將彈珠發射出去,發射速度之快慢可自行控制。

3.第二人放置彈珠時不能有撥動彈珠動作,違規者扣除該次發射成績。

4.撞擊器使用的方法,參考圖五的 A 部分,先將橡皮筋套在握著吸管之左手拇指的虎口上,再以右手把吸管內的筷子向後拉,並瞄準彈珠後鬆手,當彈珠被筷子撞到即可彈出,若速度大小合理,它就能繞著鉛直軌道作雲霄飛車的圓周運動,最後從出口 T 拋入得分紙杯內,各杯號之得點數如表 2 所示(完成圓運動,但未入杯內者,以得 1 點計分)。

5.每隊活動二競賽時間共計 3 分鐘,逾時部分不列入計分。競賽時間內每一參賽隊員均需下場操作,每人應射擊兩次,以兩組四人落入杯內之彈珠獲得的總點數,參照表 3 之計分方式為該隊之本活動成績。




5.活動三:創意

(一)創意作品:凡能用撞擊方式產生動能、位能交換的趣味運動之設計皆可,但應注意安全性的設計,否則不予計分。 (二)評選重點:以下各項取 0~6 點的範圍給點數,滿點數為 30 點,但需具備動能與位能之轉換功能。


1.設計的創意性

2.設計的完美性

3.設計的趣味性

4.設計的實用性

5.設計的安全性。

6.評分方式

活動一、二兩部分的分數相加即為本項目成績。最高分者若不只一隊則以活動二之成績較佳者為第一名,若此項成績仍相同,則用抽籤方式決定,以獲得『彈珠樂園』單項冠軍。

7.材料總表

8.時間總計

(一)本項競賽時間:共計 55 分鐘

(二)製作時間(含說明及領取材料):18 隊共 25 分鐘

(三)評審時間:18 隊共 30 分鐘

9.影片



10.探究問題

1.影片4中的彈珠,是如何不斷一直循環的。

2.彈珠為什麼總是不會離開軌道