雲霄飛車

出自 全民科學平台
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原始設計者:羅芳晁

一、原理

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。

二、活動

  1. 撞擊器的製作
    1. 如圖1-1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。
    2. 將吸管長度剪短,其長度如圖1-1所示,從綁橡皮筋位置量起,略短於筷子前端即可。
    3. 最後把筷子套入吸管內,就完成了撞擊器。
    4. 使用時,如圖1-2所示,將拇指插入像皮筋套環內,手握住吸管,再將前端瞄準彈珠,然後用另一手,向後拉筷子尾端,放手後前端立即碰撞彈珠,將它射向目標。
  2. 軌道製作
    1. 將壓條兩端泡棉膠之塑膠皮各撥開並剪斷10cm長度,再把他貼在長方形木板底座上,如圖1-3所示。
    2. 貼壓條時,應將前端對準木板邊緣,並先貼好一端固定妥當後,再小心把壓條灣成圓弧,然後貼好並固定另一端。操作此一步驟時,要兩人合作,一人壓住木板,另一人調灣壓條,若不小心壓條或木板之反彈,會傷人。
    3. 為更安全與穩固,貼好的壓條,應在10cm位置用木螺絲拴緊。
  3. 活動
    1. 在課桌面上擺好裝置如圖1-4,即可進行射遠與射準比賽。
    2. 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1-4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1-5;圖1-4中未顯示此距離)。

  1. 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1-4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1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2之計分方式為該隊之本活動成績。
  • 表一:
杯號杯外12345
每個彈株得點數153246
  • 表二:
彈珠總點數01~89~1617~2425~3233~4041~48
活動二得分06912152130

三、材料

  • 大會:
    1. 長度22cm,直徑1.3cm的粗吸管4支/隊
    2. 長度20cm的竹筷子4支/隊
    3. 橡皮筋4條/隊
    4. 直徑2.5cm的木製彈珠8個/隊
    5. 直徑7.5cm;高9.1cm容量200cc的紙杯5個
    6. 塑膠墊杯5個
    7. 長度100cm;寬度1.45 cm的電線壓條1條
    8. 20cm×8.4cm×1.5cm固定軌道用木板(桐木)條一片
    9. 2.8×12mm木螺絲(鐵製品)2支/隊
    10. 透明塑膠帶每隊一小卷。
  • 自備:
    1. 美工刀
    2. 剪刀
    3. 十字形螺絲刀
    4. 彩色筆。