2023臺北科學日

活動內容單

單位：　　　　　　　　　　　　　　　          帶隊教師：蔡志申            

 

• 活動標題：彈射迴力鏢

 

• 活動類型：  □ 實驗     □ 觀察    R 實作

 

• 適合年齡：  R 全年齡   □       歲以上

 

• 活動內容簡述

活動內容分為原理講解和手做兩部分，一開始會先進行原理的講解，講解完之後如果時間容許會有一點提問時間，之後是手做迴力鏢並且提供試玩最後手做的產品會讓小朋友們帶走

 

• 運用原理和操作步驟

製作步驟:

1. 先將A4紙依長邊對折後剪成一半
2. 從長邊剪出20公分後再依長邊對折
3. 依短邊對折後剪成一半作為迴力鏢的機翼
4. 將剪下來的兩片機翼組合在一起成V字型
5. 將機翼末尾摺出三角形
6. 將所有接合與空隙部分用膠帶貼起

原理:

迴力鏢飛行的原理是運用以下幾點來達成特殊的飛行軌跡：

1. 慣性定律 (動量守恆、轉動慣量守恆)
2. 氣體動力
3. 力平衡 (合力)

(1) 當迴力鏢投擲出去時，會維持著自身的「轉動慣量」以及「動量」，使得迴力鏢在飛行過程中，會以自身的質心為對稱軸旋轉並持續向前飛行。

(2) 大部分的迴力鏢會將片翼做成一面平坦、另一面凸起，形成中間厚、兩側薄的樣子。根據「康達效應」：「流體遇到障礙物時(如機翼)，會有沿著障礙物曲面流動的傾向」，相對於平坦的那面，凸起的那面就形成了空氣在流動時的障礙物。為了能夠沿著障礙物曲面流動，曲面會對空氣有一個拉力(如圖1)，而根據牛頓第三定律(作用與反作用力)，這個拉力也會有著相對應的反作用力，也就是空氣對曲面的(拉)升力。

(3) 當迴力鏢在飛行時，在片翼的凸面會有一個(拉)升力存在，而我們在丟迴力鏢的時候，迴力鏢行徑的方向和片翼的凸面的朝向是垂直的。也就是說，迴力鏢的「慣力」和「向心力」是垂直的，這樣的合力會造成迴力鏢以(橢)圓軌跡連續運動的情況，也就是為什麼迴力鏢能夠回到起點的原因(如圖2)

  

圖1                                  圖2

有些紙製迴力鏢雖然沒有將片翼做成一面平坦、另一面凸起的設計，但我們可以通過將片翼的一部份做彎折，讓紙製迴力鏢在旋轉時，片翼上的氣流能夠彎曲，進而達到跟一般凸片翼一樣的效果。

 

在我們做的V型迴力鏢中，我們沒有將片翼彎折，所以我們此處的上升力是因爲我們在發射時的角度(大約45度)這會讓迴力鏢進行類似拋物線的運動，接下來因為迴力鏢的「慣性」和「向心力」是垂直的，所以這樣的合力會造成迴力鏢以類似圓周的運動，然後當上升力小於空氣阻力後會開始以滑翔的下降但因為慣性會繼續旋轉最後會回到發射地附近(如圖4)

     圖4

• 注意事項

發射迴力鏢時要在空曠少人的地方進行，也不要對著人射

 

• 參考資料

（若實驗內容有引用他方所製圖片、文章的部份，請於此處加上來源。）

 

2023臺北科學日

活動內容單

單位：台灣師範大學　　　　　　　　　　      帶隊教師： 蔡志申

 

• 活動標題：手作滑翔機

 

• 活動類型：  □ 實驗     □ 觀察    □ 實作

 

• 適合年齡：  □ 全年齡   □       歲以上

 

• 活動內容簡述

我們將製作機翼不同的滑翔機，將操縱變因設為「機翼大小」以及「機翼傾斜角」，觀察此兩種變因對於滑翔機在空中滑行時的影響。除此之外，我們會介紹滑翔機能在空中飛行的原理。不僅能讓同學有動手做的機會，也能學到相對應的理論。

 

• 運用原理

（一）滑翔機飛行原理：

滑翔機最主要依靠「白努利定律」維持飛行。當滑翔機向下俯衝時，空氣被強制通過機翼上的「曲面」。這會導致機翼下方的空氣流速增加，而機翼上方的空氣流速減少，根據「白努利定律」，氣流流速越慢時，壓力越大，氣流流速越快時，壓力越小，因此因為壓力差，造成在機翼上產生了向上的升力。

 

 

圖（一）白努利定律示意圖

 

• 操作步驟

1.將巴爾莎木裁成飛機機身的形狀(全長約48cm) 。

2.在距離機頭約9cm的地方挖空約15cm的長方形。

3.在距離機尾約1.5cm的地方挖空約4cm的長方形。

4.開始製作機翼跟尾翼。

5.用砂紙使機翼周圍變圓滑，並將機翼磨成迎風面厚，背風面薄的厚度。

6.將機翼組裝至機身。

7.最後利用魚尾夾進行配重，使重心在機身前1/3位置。

8.成品圖如圖（二）

 

圖（二）成品圖

 

• 參考資料

1.白努利定律：https://aerolife123.blogspot.com/2011/08/5.html

 

2023臺北科學日

活動內容單

單位：台灣師範大學物理系　　　　　　　　　　　　　　　 帶隊教師：蔡志申教授            

 

• 活動標題：大球撞小球-碰撞實驗

 

• 活動類型：  □ 實驗     □ 觀察    □ 實作

 

• 適合年齡：  □ 全年齡   □    5   歲以上

 

• 活動內容簡述:

　　藉由球彈射火箭的遊戲和三顆球撞擊的展示，讓學生了解到動量守恆以及彈射碰撞。

 

• 運用原理和操作步驟：

• 運用原理:

(一)、動量守恆:

        如果物體受到外力的合力為零，則系統內各物體動量的向量和保持不變，系統質心維持原本的運動狀態。

 

 

 

 

   (二)、非彈性碰撞:

     碰撞後整個系統的部分動能轉換成至少其中一碰撞物的內能，使整個系統的動能無法守恆，但它們仍遵守動量守恆定律的一類碰撞。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• 操作步驟:

(一)、將想放入的球放入發射器中發射向籃子中

(二)、記錄在五次發射中的的進籃數

(三)、得分最高者，給予獎勵

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• 注意事項

• 避免將發射口對準他人或自己發射
• 避免大量敲擊，導致道具損毀
• 在發射時，發射者需與人相隔1公尺以上
• 回收飛行物時須注意發射區是否有人員在使用發射器

 

• 參考資料

維基百科:動量守恆、非彈性碰撞

 

2023臺北科學日

活動內容單

單位：　　　　　　　　　　　　　　　          帶隊教師：            

 

• 活動標題：水管空氣壓縮砲

 

• 活動類型：  □ 實驗     ☑ 觀察    □ 實作

 

• 適合年齡：  ☑ 全年齡   □       歲以上

 

• 活動內容簡述

 

藉由打氣筒壓縮空氣，將空氣打入空氣水管砲機，以逆止閥防止逆流並儲存空氣，打入適量空氣後，置入紙筒砲彈，快速打開球閥開關發射紙砲彈，體驗空氣壓力的神奇。

 

 

• 運用原理和操作步驟

 

運用原理：

 

   運用壓力和體積乘積為定值的原理，在體積較大的水管砲身內儲存壓力，在藉由快速打開球閥使得受壓縮的空氣膨脹流向砲管內，膨脹的空氣迅速恢復原體積並對砲彈做功，使砲彈能夠射出。

 

波以爾定律：定溫定量下，理想氣體的體積與壓力成反比。

  V=kp,V為體積, p為壓力, K為一常數  

 

功能原理：非保守力作功即為動能變化。

       W=△K,W為做功,△K為動能變化

 

 

操作步驟：

1. 製作紙筒砲彈
2. 以打氣筒打入適量空氣
3. 在砲管內置入紙筒砲彈
4. 快速打開球閥開關發射紙砲彈

 

自製水管空氣砲圖示:

  

  

 

紙炮設計圖示:

 

  

 

• 注意事項

請勿瞄準人發射!

建議在空曠的地方進行發射。

 

 

• 參考資料

JSPB官方中文站：https://sites.google.com/site/jspb3000/home/introduce

 

2023臺北科學日

活動內容單

單位：國立臺灣師範大學　　　　　　　　          帶隊教師： 蔡志伸          

 

• 活動標題：靜電球型加速器

 

• 活動類型：  ■ 實驗     □ 觀察    □ 實作

 

• 適合年齡：  ■ 全年齡   □       歲以上

 

• 活動內容簡述

 

將鋁箔小球丟入貼有帶電鋁箔帶的塑膠碗，利用電荷基本原理；同性相斥、異性相吸，鋁箔小球將會在塑膠碗中作圓周運動

 

• 運用原理和操作步驟

 

旋轉韋氏起電器使其產生大量靜電，在其電容器(萊頓瓶)上外接電線使電荷導入塑膠碗中的鋁箔帶。

當鋁箔小球(電中性)接觸其中一片帶電鋁箔(假設帶正電)後，將會和該鋁箔片帶相同電荷(正電)。

因同性相斥，鋁箔小球將會被推開使其接觸下一個鋁箔帶(負電)，鋁箔小球因接觸該鋁箔帶(負電)後從而帶負電，又因同性相斥再次被推走而又接觸下個鋁箔帶(正電)，周而復始下鋁箔小球的運動軌跡將呈圓形。

 

 

• 注意事項

 

韋氏起電器所產生的電壓非常龐大，應避免接觸金屬球

 

• 參考資料

Ball Cyclotron/Electrostatic Accelerator How it Works/Making