猴犀利的摩擦⼒

出自 全民科學平台
於 2022年5月19日 (四) 08:43 由 黃鈴諭 (對話 | 貢獻) 所做的修訂 ((三)競賽說明:)
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設計:游珮均老師/新北市立新莊⾼中

活動說明

⼀.⽬的:

摩擦⼒在⽣活中有許許多多的應⽤,摩擦⼒的影響因素有接觸⾯的性質、作⽤於接觸⾯的⼒等,在製作爬樹猴的過程,設計造成不同摩擦⼒的條件,再利⽤棉繩與爬樹猴間的摩擦⼒不同,製作出不同爬⾏速度或具有負重能⼒的爬樹猴。透過活動設計提供了⼀個兼具探究實作及趣味性的科學競賽,可讓參加活動的學⼦瞭解摩擦⼒在⽣活中的應⽤。

⼆.原理:

爬樹猴的結構如圖⼀,主要是由5根冰棒棍及1條橡⽪筋構成。在拉扯棉繩的過程中,⽀點設置的位置改變了棉繩拉扯的⾓度,爬樹猴的兩端上肢及下肢與棉繩的接觸、泡棉與棉繩的接觸產⽣了不同⼤⼩的摩擦⼒,再藉由橡⽪筋的伸縮,爬樹猴的結構產⽣開合的情形,使得棉繩在四肢的繩⼦位移的長度不同,因此造成爬樹猴移動速度差異的現象。


三.活動⼀:任重「猴」道遠

(⼀)場地說明:

本活動場地⼤⼩約為長180公分、寬150公分,場地中有⼀張60cm寬桌⼦、60cm寬椅⼦及牆⾯,牆⾯離地220公分處放置⼀個掛勾,如圖⼆所⽰。開始前準備時間,參賽隊伍於「準備區」預備比賽,參賽隊伍以椅⼦協助將棉繩固定於掛勾,桌⼦擺放⼀盒彈珠供參賽隊伍⾃⾏決定取⽤數量。開始比賽時,評審位在掛勾⼀側計分,⼀位隊員在「操作區」操作,其他隊員在「等待區」等待輪流進⾏比賽。

====(⼆)使⽤材料====: ⼤會提供材料:冰棒棍7根(2根備⽤)、⽩⾊棉繩250公分1條、彈珠、⽔槽籃網。參賽者⾃備材料與⼯具:橡⽪筋、牙籤、泡棉、夾⼦、奇異筆2枝(紅、藍各⼀枝)、鑽⼦、剪⼑、筆、尺、瞬間膠或免插電熱融膠。

(三)競賽說明:

  1. 製作:
    • 棉繩的準備:
      1. 取⼀條250公分的棉繩,棉繩前端第25公分處以紅⾊奇異筆作記號,即為「起點」,之後分別在125公分及205公分處以紅⾊奇異筆畫記,最後⼀個紅點即為「終點」。剩下的棉繩作為固定在掛勾上使⽤。
    • 爬樹猴製作:
      1. 製作⼀隻爬樹猴,取5根冰棒棍製作爬樹猴,其中2根作為前肢、2根作為後肢、1根作為⾝體。前肢的2根冰棒棍夾住⾝體的冰棒棍,並在相接處以膠固定。
      2. 前肢的冰棒棍各鑽⼀個孔(如A端),穿入牙籤固定,並在前端位置,黏貼⼀片泡棉在兩枝冰棒棍間。
      3. 後肢的2根冰棒棍先分別鑽3個孔,後肢的2根冰棒棍夾住⾝體冰棒棍的兩側,相接處則以鑽⼦鑽孔後,穿入牙籤固定。剩下的2個孔(如B端),穿入牙籤固定。
      4. 將棉繩寫過爬樹猴如圖三所⽰。
  2. 競賽:
    1. 開始前準備,於30秒內將棉繩固定在掛勾上,使⽤夾⼦與橡⽪筋將裝有彈珠的⽔槽籃網固定在爬樹猴上,彈珠數量⾄少5顆,並將爬樹猴調整在棉繩的「起點」位置,如圖四所⽰。
    2. 評審喊開始同時按下計時器,第1名參賽者在繩⼦的下⽅拉扯繩⼦,使爬樹猴向上移動,移動⾄「終點」即停⽌計時,爬⾏時間為t1。爬⾏⾼度需超過125公分的紅點始計算成績。
    3. 將爬樹猴重新移⾄起點,由第2名及第3名參賽者重複步驟b.,爬⾏時間分別為t2、t3,三名參賽者操作時間需在3分鐘內完成。
  3. 計分⽅式:
    1. 操作分數為A=(彈珠數量)/t,三名參賽者爬⾏時間分別為t1、t2、t3,三名參賽者操作分數分別為A1=(彈珠數量)/t1,A2=(彈珠數量)/t2,A3=(彈珠數量)/t3。
    2. 參賽隊伍分數=A1+A2+A3,依參賽隊伍分數排序,可獲得對應六等第分數,分數相同則以爬⾏時間平均值少者獲勝。
    3. 彈珠及夾⼦掉落即失敗,當次操作分數A=0

(四)注意事項:

  1. 開始前準備時間,參賽隊伍需確實將棉繩固定在掛勾上,比賽過程棉繩鬆脫⽽不能完成當次操作,則該次操作分數為0 。
  2. 比賽進⾏時,只有操作者能握著下端棉繩操作,操作者及其他隊員不得碰觸比賽裝置。
  3. 比賽進⾏時,每位參賽者在操作前,可重新調整彈珠數量,比賽時間不停秒,其調整時間會包含在比賽時間3分鐘內。

四. 活動⼆:猴猴相追何太急

(⼀)場地說明:

本活動場地⼤⼩約為長300公分、寬150公分,場地中有⼀牆⾯,牆⾯離地80公分處放置⼀個掛勾,如圖五所⽰。開始前準備時間,參賽隊伍將棉繩固定於掛勾,開始比賽時,評審位在掛勾⼀側計分,⼀位隊員在「操作區」操作,其他隊員在「等待區」等待輪流進⾏比賽。


(⼆)使⽤材料:

  • ⼤會提供材料:冰棒棍14根(4根備⽤)、⽩⾊棉繩250公分1條。
  • 參賽者⾃備材料與⼯具:橡⽪筋、牙籤、泡棉、奇異筆2枝(紅、藍各⼀枝)、鑽⼦、剪⼑、筆、尺、瞬間膠或免插電熱融膠。

(三)競賽說明:

  1. 製作:
    • 棉繩的準備:
      1. 取⼀條250公分的棉繩,棉繩前端第25公分處以紅⾊奇異筆作記號,即為「起點」,之後每5公分以藍⾊奇異筆作記號,共40個點200公分,並在75公分處及225公分處以藍⾊奇異筆畫記,最後⼀個藍點即為「終點」。剩下的棉繩作為固定在掛勾上使⽤。
    • 爬樹猴製作:
      1. 取5根冰棒棍製作爬樹猴,其中2根作為前肢、2根作為後肢、1根作為⾝體。前肢的2根冰棒棍夾住⾝體的冰棒棍,並在相接處以膠固定。
      2. 前肢的冰棒棍各鑽⼀個孔(如A端),穿入牙籤固定,並在前端位置,黏貼⼀片泡棉在兩枝冰棒棍間。
      3. 後肢的2根冰棒棍先分別鑽3個孔,後肢的2根冰棒棍夾住⾝體冰棒棍的兩側,相接處則以鑽⼦鑽孔後,穿入牙籤固定。剩下的2個孔(如B端),穿入牙籤固定。
      4. 重複步驟1.~3.,共製作2隻爬樹猴,將棉繩穿過爬樹猴如圖六所⽰。
  2. 競賽:
    1. 開始前準備,於30秒內將棉繩固定在掛勾上,將兩隻爬樹猴調整在「起點」及另⼀個藍⾊奇異筆記號處,使兩隻爬樹猴相距50公分,如圖七所⽰,掛勾及爬樹猴在同⼀個⽔平⾯上。
    2. 評審喊開始同時按下計時器,第1名參賽者在棉繩的前端處拉扯棉繩使爬樹猴移動,當⼀隻爬樹猴移動⾄「終點」即停⽌計時,此時記錄時間t1及兩猴之間的距離s1。第⼀隻爬樹猴需達終點始計算成績,當兩猴距離越接近30公分、爬⾏時間越短,則分數越⾼。
    3. 將爬樹猴重新移⾄起點,由第2名及第3名參賽者重複步驟b.,爬⾏時間分別為t2、t3,兩猴之間的距離分別為s2、s3,三名參賽者操作時間需在3分鐘內完成。
  3. 計分⽅式:
    1. 操作分數為B=s/t,三名參賽者爬⾏時間為t1、t2、t3,兩猴之間的距離為s1、s2、s3三,操作分數B1==|30-s1|/t1,B2=|30-s2|/t2,B3=|30-s3|/t3。
    2. 參賽隊伍分數=B1+B2+B3,依參賽隊伍分數排序,可獲得對應六等第分數,分數相同則以爬⾏時間平均值少者獲勝。
    3. 爬樹猴未達終點即失敗,當次操作分數A=0 。

(四)注意事項:

  1. 開始前準備時間,參賽隊伍需確實將棉繩固定在掛勾上,比賽過程棉繩鬆脫⽽不能完成當次操作,則該次操作分數為0 。
  2. 比賽進⾏時,只有操作者能握著下端棉繩操作,操作者及其他隊員不得碰觸比賽裝置。
  3. 比賽進⾏時,若兩猴相碰到,當次操作即失敗,操作分數=0 。

五.活動三:創意作品

參賽者需設計⼀個短劇,短劇主⾓是以爬樹猴的原理設計,可製作背景,並搭配⾳樂將短劇演出,並拍攝成3分鐘短片。作品需兼具藝術、創意、科學及趣味性,作品繳交項⽬需包含劇情說明書及短片(影片為HD畫質)。

六.競賽時間:70分鐘

  1. 製作時間:競賽製作與測試時間(含說明及領取材料)共30分鐘(活動⼀及活動⼆)
  2. 評審時間:全部隊伍比賽時間共40分鐘,可分批進⾏。每組活動⼀及活動⼆接續進⾏,活動⼀ 3.5分鐘,活動⼆ 3.5分鐘,合計每組最多 7 分鐘。
  3. 評等:如有隊伍發⽣同分情況,則以活動⼀原始成績⾼者獲勝。

七.給評分者的建議:

  1. 檢查事項:
    1. 檢查材料是否符合規定,參賽作品是否現場製作。檢查未通過者,在該隊分配的競賽時間內⾃⾏設法修正,否則取消該項⽬參賽資格。
    2. 棉繩上的記號需正確畫記。
  2. 活動⼀與活動⼆的評審在同⼀場地接續進⾏。

八.材料總表:

品名規格數量備註來源
冰棒棍長8公分、寬1公分21根活動⼀及活動⼆使⽤大會提供
⽩⾊棉繩250公分 21根活動⼀及活動⼆使⽤
彈珠直徑1公分⼤⼩ 20顆活動⼀使⽤
⽔槽籃網15公分長 1個活動⼀使⽤
夾⼦參賽者⾃⾏決定1個活動⼀使⽤參賽隊伍自備
橡⽪筋數條活動⼀及活動⼆使⽤
牙籤適量
泡棉適量
奇異筆(紅、藍各⼀枝)2枝
瞬間膠或免插電熱融膠參賽者⾃⾏決定適量
鑽⼦、剪⼑、筆、尺參賽者⾃⾏決定若干

探究問題:

  1. 在爬樹猴的結構中,如何控制爬樹猴的移動距離?
  2. 在爬樹猴的結構中,如何控制爬樹猴的增加其負重?
  3. 在猴猴相追何太急中,棉繩與兩猴間操控對猴間距的影響為何?
  4. 爬樹猴的重⼼對其移動的影響?
···當然還有更多可探究的問題。