迷你拋石器

出自 全民科學平台
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目的

拋石器是直接使用槓桿原理或依靠物體彎曲時產生的彈力來啟動槓桿的裝置,它能把大石頭或鐡球等發射到遠方的目標,是古代攻城作戰時,用以射遠達成強大破壞力的重要武器之一。根據相同的科學原理與觀念,我們可用曬衣夾、竹筷子與橡皮筋等隨手可取得的材料,設計成活動一與活動二兩種簡易又富趣味性的迷你拋石器,操作中除了體驗槓桿原理、彈性力學及能量守恆原理的應用外,還可聊解拋體運動,使物體拋的遠、拋的準的技巧。

原理

要使物體繞著定點O轉動需要施力,施力的位置稱為施力點A;定點與施力點的直線距離OA=r為力臂,垂直於力臂的力F⊥稱為有效力,而力臂與有效力之乘績則為使物體轉動的力矩τ,表為:

   τ=r×F⊥

又當物體之質量m可視為集中於稱為質量中心(簡稱為質心)的一點時,若使物體繞著距離質心為r之定點O轉動,它就有轉動慣量I=mr2。此時轉動的角加速度為α,則力矩為

   τ=r×F⊥=Iα

此角加速度決定了物體轉動時的角速度ω,角速度越大則物體沿軌跡之切線速度v越大,此切線速度的方向決定了拋射的準度;其大小則決定拋射時的遠近。所以在本活動中若能適當控制各個變因,便能在競賽中獲致佳績。

三、活動一:使用手持式拋石器射遠

(一)場地

每一組使用如圖1所示之場地。圖中P為發射區;A、B、C、D、E為得分區。 檔案:拋石器計分區1.gif

(二)使用材料

1. 大會提供

如圖2所示,台製全塑膠材質曬衣夾1支/人、長度約16cm之塑膠湯匙1把/人、直徑約4cm之乒乓球3個/人、長度約20cm之竹筷子1支/人、橡皮筋4條/人。

2. 學生自備

自備工具如剪刀、美工刀、尖嘴鉗、練習用乒乓球等。

(三)競賽說明

1. 操作方式

(1)

Image005.gif Image004.gif Image002.gif Image003.gif 競賽現場使用規定材料與工具,如圖3所示,先將塑膠湯匙的握柄以兩條橡皮筋在曬衣夾上方壓柄之兩端位置分別纏繞固定好。

(2)

接著將竹筷子之鈍端(有環形凹槽處)放入衣夾鉗口端的拱型凹槽內,再用兩條橡皮筋交叉纏繞固定於沒有湯匙的拱型凹槽內,完成後如圖4所示。 (注意:左撇子插入筷子的方向應與圖示相反)。

影片

探究問題

為什麼固體會彎曲?

位能如何轉換?

能量如何傳遞?

為什麼能量能夠守恆?

槓桿原理如何將能量加大?

彈性如何使能量加大?

阿基米德說:給我一個支點我就能抬起地球,請問如果可行,用月球還是火星當支點更合適?