科趣-翻滾吧阿信

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科學趣味競賽

目的:

   以規定的材料設計並製作翻滾仔和軌道座,使翻滾仔的兩支軸心能在齒狀軌道上逐格翻滾,經由調整重心位置、質量分布、軸心距離、軌道傾斜角度等使翻滾仔分別於活動一、二能以最慢及最快速度翻滾而下。藉以熟練操作技能、體會科學原理、啟發創造力、訓練解決問題的能力。

科趣-翻滾吧阿信裝置示意圖.gif

原理:

重心、力矩、轉動慣量、摩擦力、斜面、最短時間曲線

活動一:比慢

  1. 場地需求
    於無風場所放置一穩固不搖晃的課桌,桌面平整且盡量保持水平。裁判與參賽者分別坐在桌子兩邊之椅子上,椅子與桌子不得相連或接觸以免干擾競賽進行。競賽時軌道座必須置於桌面中央並以側邊向著參賽者及裁判。
  2. 使用器材
    • 大會提供:
      評審使用器材:碼錶。
      各組材料:
      直吸管 8支、竹籤12支、方格紙1張、黏土 20克、花邊紙1張、珍珠板1張。
    • 自備:
      膠帶、雙面膠、黏著劑切割墊、剪刀、小刀、尺、砂紙、秤重裝置等。
  3. 製作說明
    科趣-翻滾仔參考圖.gif
    1. 以大會提供的珍珠板及花邊紙製作一座軌道(A)(參考圖一)。珍珠板可任意裁切、黏貼成底座。軌道必須以花邊紙長邊的齒狀花邊整條裁切下來黏貼製成,不得剪短或銜接加長。使用剩下的珍珠板及花邊紙來墊高底部以調整軌道之傾斜度。
    2. 以大會提供的吸管、竹籤、方格紙、黏土製作兩個翻滾仔(甲、乙)(參考圖二)。翻滾仔大致包含雙軸心、本體、配重三部分。雙軸心--必須由竹籤製作,長度、粗細不限。本體--由吸管、竹籤任意剪裁組合製成,也可以只使用其中一種材料製作。配重--以黏土填塞或黏著於本體或軸心上以調整重心及轉動慣量。
    3. 自備之膠帶、雙面膠、黏著劑限用於黏貼以上作品,但不得使用過量以增加重量。
    4. 可利用方格紙剪成條狀來隔開雙軸心使維持適當距離。
  4. 競賽說明
    1. 將翻滾仔由軌道最高處釋放使其自行逐格翻滾至底部,紀錄花費的時間,時間愈長者成績愈佳。
    2. 每一參賽者輪流以甲、乙翻滾仔比賽,三人共六次。
    3. 啟動時以其中一支軸心置於最高處齒狀下凹處,可輕推翻滾仔上端使其開始翻滾。開始翻滾後就不得干擾,否則該次以零秒計。
    4. 開始翻滾後,當另一支軸心跨過下一個齒而接觸下一個下凹處便開始計時。當翻滾仔逐格翻滾到其中一軸心碰觸到最底下的齒狀下凹處便算完成,停止計時,以此時間來計分。
    5. 每一次比賽最多有三次啟動機會,若輕推三次均未能開始翻滾則以失敗計。開始計時後不到4秒鐘就停止則該次也以失敗計。失敗者該次以零秒計。
    6. 如果翻滾仔未抵達底部就停止,且已超過4秒鐘則以停止時間之半來計分。
  5. 計分方式
    選取六次當中時間最長的四次,將其時間加總後由長至短排序,再以六等第計分法計分即為該隊活動一之得分。

活動二:比快

  1. 場地需求同活動一
  2. 使用器材
    • 大會提供:
      評審使用器材:碼錶、檢查起、終點位置的模板。
      各組材料:直吸管 8支、竹籤12支、方格紙1張、黏土 20克。(與活動一共用,不另提供)
    • 自備:
      事先做好軌道座(B)(含底座、齒狀軌道)、製作翻滾仔(丙、丁)雙軸心的材料。
      膠帶、雙面膠、黏著劑切割墊、剪刀、小刀、尺、砂紙、秤重裝置等。
  3. 製作說明
    1. 事先做好軌道座(B)帶來參賽。底座和齒狀軌道的形狀、材料及製作方法不限,但必須符合以下規定:
      科趣-翻滾吧阿信比快活動起點與終點示意圖.gif
      • 軌道座放置於水平桌面時起點與終點的水平距離X=24cm、鉛直高度差Y=6cm。
      • 起點和終點位置必須在齒的下凹處並畫上記號,如果因為齒距的原因無法恰好符合(1)X、Y之規定,則允許誤差在半個齒距以內。
      • 齒的形狀可自行設計但必須清楚,起點到終點之間必須平均佈滿齒,且齒數不得少於25齒。
    2. 以自備的雙軸心材料及大會提供的吸管、竹籤、方格紙、黏土於製作時間內製作兩個翻滾仔(丙、丁)(參考圖二)。翻滾仔大致包含雙軸心、本體、配重三部分。雙軸心—以自備材料製作,材質、長度、粗細不限。本體--由吸管、竹籤任意剪裁組合製成,也可以只使用其中一種材料製作。配重--以黏土填塞或黏著於本體或軸心上以調整重心及轉動慣量。
    3. 自備之膠帶、雙面膠、黏著劑限用於黏貼以上作品,但不得使用過量以增加重量。
    4. 可利用方格紙剪成條狀來隔開雙軸心使維持適當距離。
  4. 競賽說明
    1. 將翻滾仔由起點釋放使其自行逐格翻滾至終點,紀錄花費的時間,時間愈短者成績愈佳。
    2. 每一參賽者輪流以丙、丁翻滾仔比賽,三人共六次。
    3. 釋放時以其中一支軸心置於起點,必須緩慢抬高翻滾仔上端使其藉重力作用自行開始翻滾。開始翻滾後就不得干擾,否則該次以失敗計。
    4. 開始翻滾後,當另一支軸心跨過下一個齒而接觸下一個下凹處便開始計時。當翻滾仔逐格翻滾到其中一軸心碰觸終點便算完成,停止計時,以此時間來計分。
    5. 每一次比賽最多有三次啟動機會,若三次均未能使其開始翻滾,則以失敗計。
    6. 如果翻滾仔抵達終點前停止則以失敗計。如果翻滾仔未「逐格翻滾」也視同失敗。
    7. 失敗者該次以30秒計。
  5. 計分方式
    選取六次當中時間最短的四次,將其時間加總後由短至長排序,再以六等第計分法計分即為該隊活動二之得分。


競賽時間

  1. 製作時間:每一隊製作及測試時間共40分鐘
  2. 評審時間
    每一隊活動一競賽時間約8分鐘
    每一隊活動二競賽時間約7分鐘

總成績

將活動一、二分別以六等第計分法計分後相加,即為本單項競賽成績。

活動三:創意競賽

不限定材料發揮創意自行設計翻滾仔及軌道座,使翻滾仔能沿著軌道翻滾。以巧妙之設計、善用材料特性、運用科學原理而達到極慢、極快、平順或挑戰高難度為佳。此外也可以在外型予以美化、趣味化,或可發想將本活動之概念設計成具有實用性之用品。活動三單獨評等,不列入總成績分數。

  1. 評審標準:依創意30%、功能效果30%、材料運用20%、美觀20%來評分,成績最高者頒發創意獎。
  2. 說明書:要包括創作的動機、構想、原理、發展等,以列印或書寫、畫圖說明等方式呈現在A4紙上。
  3. 評分時根據作品實體或模型、操作情形、說明(說明書或含口頭陳述)評分。

探究問題

重心在此實驗中的影響

物體為什麼會有重心?

固體為什麼會有摩擦力?

固體的質心為什麼通常是重心?