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梅期光/共發表5篇文章

國中自然科領域退休教師,「認識科展第一本書」作者

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『實作』振動鐵線蟲vs. 振動刷毛蟲

  撰文者:梅期光  2016-11-09
  點閱次數:976


前些日子受邀針對國小教師的科學實作融入國小科學教學專題報告,現場有老師問要如何進行科學實作教學的問題。其實,科學實作教學目標從國小年段學生觀點應是「以培養國小學生科學觀察能力」為主的教學模式。實作的過程並非重點,重點應在操作過程中實作作品所呈現科學現象的觀察分析推理等過程。從科學實作作品的現象呈現中,國小學生從觀察過程中會觀察到許多的現象,這些現象所呈現的就是科學訊號!國小學生若是能從認識這些現象開始,思考各種現象間的關係後,再經過與老師間的提問討論、最後再由老師講解,學生就能建立科學實作操作與產生現象間的關聯性。老師又問:可是這些科學知識不在國小科學課程範圍,那如何進行教學呢?科學實作課程強調的是憑藉科學現象建構學生觀察推理分析能力的教學,並不強調科學知識教學!也就是不是科學定理定則的知識學習,因此,現象觀察是本專欄唯一強調的目的。試想從國小乃至國中年段就建立正確的科學現象觀察分析推理能力,對於爾後的高中大學科學知識學習的基礎建構絕對有其正向與奠基的重要性!

材料

1.振動鐵線蟲:3號電池、3號電池盒、直流馬達、2cm×6cm泡棉膠帶、2cm×2cm泡棉膠帶、15cm細鐵線、2cm粗膠條振動子。

2. 振動刷毛蟲:3號電池、3號電池盒、直流馬達、2cm×6cm泡棉膠帶、2cm2cm×泡棉膠帶、1cm粗膠條振動子、細塑膠刷毛7cm、1cm×6cm塑膠瓦楞板。

▓製作步驟

一、振動鐵線蟲

1. 固定塑膠基座板(簡稱鐵線蟲基座板),用細簽字筆在固定鐵線蟲基座板1/4及4/3位置畫記,再用美工刀在劃記處一面切開一切口。

【注意事項】用美工刀切割鐵線蟲基座板時,注意!僅需切開基座板一面即可,另一面不可切斷。

2. 製作振動鐵線蟲鐵線腳(簡稱鐵線腳):確定15 cm細鐵線中點位置,將細鐵線彎折成U形狀。在距細鐵線彎折U形端0.5 cm位置,用尖嘴鉗夾住一支細鐵線,用拇指按壓細鐵線呈垂直狀,重複上述步驟。

【注意事項】細鐵線彎折位置盡量在細鐵線的中點位置,且彎折細鐵線務必呈直角狀!。

3. 組裝振動鐵線蟲鐵線腳於鐵線腳固定基座板:

(1)將鐵線腳固定鐵線蟲基座板兩切口處彎折,可觀察到鐵線腳基座板插孔位置,將鐵線腳固定鈕插入中間位置插孔內,再將基座板恢復原來平直狀態,鐵線腳基座板應將鐵線腳完全包覆在切口內部,重複上述步驟。

【注意事項】鐵線蟲鐵線腳務必能完全包覆在鐵線腳基座板切口內部,如此可保持泡棉膠帶與鐵線腳基座板的完全黏著效果!

(2)將已裝置鐵線腳的鐵線腳基座板以切口處朝上方式放置桌面,用2 cm ×6 cm泡棉膠帶從切口處黏著。

【注意事項】黏貼泡棉膠帶時,務必保持鐵線腳基座板呈平面狀,再黏貼雙面膠帶,如此可保持泡棉膠帶與鐵線腳基座板的完全黏著效果!

4. 組裝鐵線腳基座板與鐵線蟲電池盒蟲體:

將黏貼鐵線腳基座板上泡棉膠帶對齊鐵線蟲電池盒蟲體(簡稱電池盒蟲體)底面,將鐵線腳基座板黏著在電池盒蟲體底面。

5. 組裝振動鐵線蟲振動裝置:

將膠條振動子水平放置桌面,將馬達轉軸插入膠條振動子一側。

【注意事項】(1)馬達轉軸插入膠條振動子的位置,應以距膠條振動子兩端1.0 cm位置為佳,如此才可產生較大的鐵線蟲的振動效果!(2)太靠近膠條振動子兩端位置膠條容易破裂脫落,而太靠近膠條振動子圓柱圓心振動子產生的振動效果較不明顯,影響鐵線蟲的運動效果!

6. 組裝振動馬達、鐵線腳基座板與電池盒蟲體:

將2 cm泡棉膠帶黏貼在遠離直流馬達接線端的馬達底面,再將馬達黏著在靠近電池盒單閘開關位置。

【注意事項】(1)若馬達底面金屬殼生鏽,可用泡棉膠帶的臘膜粗糙面與生鏽處摩擦,以去除生鏽部分,如此可保持泡棉膠帶與鐵線腳基座板的完全黏著效果。(2)直流馬達黏著位置盡量靠近電池盒單閘開關位置,並確使膠條振動子能無阻礙的穩定轉動!

7. 組裝電池盒正負極導線與直流馬達:

為便利鐵線蟲操作取用便利性,可將電池盒正負極導線鈕成螺旋狀,再將兩導線金屬線從馬達兩電極導電片中間小孔穿入後固定。

8. 安裝振動鐵線蟲電池及調整鐵線蟲鐵線腳位置:

先將電池盒單閘開關打開(呈斷路狀),然後將電池安裝在電池盒內,再用兩手拇指與食指壓住靠近電池盒位置鐵線腳,施力壓擠調整使鐵線腳呈彎曲狀。

9. 完成振動鐵線蟲成品:

鐵線腳以點與桌面接觸(點接觸鐵線腳)或以線段與桌面接(線接觸鐵線腳觸)。

二、振動刷毛蟲

1. 製作振動刷毛蟲刷毛腳:

將塑膠刷毛以三隻一束,從中間位置彎折成U字形,用透明膠帶將塑膠刷毛彎折點下方黏緊。

【注意事項】應注意塑膠刷毛彎折點不可用透明膠帶包覆,以免體積過大無法穿入刷毛基座板小孔!

2. 製作振動刷毛蟲刷毛腳基座:

剪裁與電池盒側面大小相同1 cm × 6 cm的塑膠板,用長度稍長於刷毛腳基座的透明膠帶,將刷毛腳基座開口端封住。

【注意事項】透明膠帶長度略長於刷毛腳基座板時,透明膠帶兩端可預留0.5 cm長度,當透明膠帶確實封閉刷毛腳基座板一側時,將預留0.5 cm透明膠帶黏住,如此可確保透明膠帶不會從刷毛腳基座脫落!

3. 組裝振動刷毛蟲刷毛腳基座與刷毛腳:

將塑膠刷毛腳從刷毛腳基座開口端兩側小孔插入,再將兩片已插入刷毛腳基座合併,用剪刀將相同位置刷毛腳剪成相同長度。

【注意事項】(1)以本文操作演示為例,刷毛腳的長短設定以兩短、兩長為例、且長短刷毛腳差距應小於0.5 cm為佳。(2)刷毛腳長度也可分別為不同長度,但以科學實作不同於科學玩具的考量,仍以相同變因方式處理可增加現象討論的穩定性。(3)刷毛腳的位置也作規則性的調整,例如:以開關朝上面向刷毛腳方向,讀者可將刷毛腳作如下圖的配置,其中應考慮馬達轉動膠條振動子的轉向是順時鐘或逆時鐘。

4. 組裝刷毛腳基座與電池盒:

將泡棉膠帶從短邊剪半,再黏貼在刷毛腳基座板上,將刷毛腳基座板朝電池盒裝電池處與電池盒平行方式黏貼在電池盒兩側。

5. 組裝振動刷毛蟲振動馬達:

將泡棉膠帶黏著遠離直流馬達接線端馬達底面,再將膠條振動子圓柱平放桌面,將馬達轉軸插入膠條振動子圓柱半徑附近即可。

【注意事項】(1)馬達轉軸插入膠條振動子位置以1/2半徑附近為佳,太靠近膠條振動子圓柱外緣膠條容易破裂脫落,而太靠近膠條振動子圓柱圓心振動子產生的振動效果較不明顯,影響刷毛蟲的運動效果!(2)用泡棉膠帶臘膜粗糙面摩擦去除馬達金屬殼生鏽部分,如此可保持泡棉膠帶與鐵線蟲基座板的完全黏著效果!

6. 完成振動刷毛蟲:

將電池盒正負極導線鈕成螺旋狀,再將兩導線金屬線從馬達兩電極導電片中間小孔穿入後固定,將電池安裝在電池盒內,即完成振動刷毛蟲。思考一下,振動刷毛蟲刷毛腳的位置可依據刷毛腳基座插孔位置調配,你/妳可以配置出幾種不同的振動刷毛蟲刷毛腳配置方式?

·現象觀察與推理思考

1.振動鐵線蟲運動

振動刷毛蟲運動

2.根據實際操作振動鐵線蟲(或振動刷毛蟲)的現象觀察,你/妳能分析推理出振動子轉動與靜止時振動鐵線蟲(或振動刷毛蟲)實重與視重的差異嗎?

說明:將膠條振動子靜止的刷毛蟲平放手掌心,感覺膠條振動子靜止振動的刷毛蟲的重量,此時重量稱為靜止振動的刷毛蟲的「實重」。將開關切下,把膠條振動子轉動的振動刷毛蟲平放手掌心,感覺膠條振動子轉動的振動刷毛蟲的重量,此時重量稱為膠條振動子轉動的振動刷毛蟲的「視重」。

3.根據實際操作振動鐵線蟲(或振動刷毛蟲)的現象觀察,你/妳能分析推理出振動子轉動與靜止時動鐵線蟲(或振動刷毛蟲)的重心變化的差異嗎?

4.若改變連接馬達導電片的電極性,根據實際操作振動鐵線蟲(或振動刷毛蟲)的現象觀察,你/妳能分析推理出膠條振動子的轉動方向與鐵線蟲(或振動刷毛蟲)相對應轉動方向對振動鐵線蟲(或振動刷毛蟲)運動方式的差異嗎?

5.若改變振動鐵線蟲鐵線腳與桌面接觸的長度,根據實際操作振動鐵線蟲的現象觀察,你/妳能分析推理出振動鐵線蟲鐵線腳與桌面接觸方式(點接觸或線段接觸)對鐵線蟲運動方式的差異嗎?

6.若改變振動刷毛蟲刷毛腳基座上刷毛腳的相對位置,根據實際操作振動刷毛蟲的現象觀察,你/妳能分析推理出刷毛腳與桌面接觸方式對振動刷毛蟲運動方式的差異嗎?

學習振動鐵線蟲與振動刷毛蟲有關科學原理

1. 電流磁效應:馬達的轉動原理係利用電流磁效應與場磁鐵相互排斥的同性磁極,互斥磁力產生使線圈轉動的力矩而使線圈產生穩定的轉動現象。

2. 圓周運動:物體繞固定點運動的型態,馬達線圈、膠條振動子的轉動都屬於圓周運動。

3. 重心變化:馬達轉動膠條振動子時,同時改變鐵線蟲與刷毛蟲整體質量的重心位置,如同鐵線蟲及刷毛蟲受到擠壓與未擠壓的作用,作用在鐵線腳和刷毛腳上就會使鐵線腳和刷毛腳產生形變。

4. 形變與彈力:當鐵線蟲鐵線腳及刷毛蟲刷毛腳受到擠壓力量作用時,鐵線腳和刷毛腳會產生彎曲形變,而未受到擠壓力量作用時會恢復原狀,從變形到恢復原狀的過程中,鐵線蟲及刷毛蟲蟲體與桌面間就會對鐵線腳和刷毛腳產生大小規律的作用力。

5. 作用力與反作用力:當鐵線蟲及刷毛蟲的振動子轉動時,使鐵線腳和刷毛腳產生變形與恢復原狀的變化,鐵線腳和刷毛腳與桌面接觸位置就會產生擠壓反作用力與未擠壓的作用的恢復力。

6. 摩擦力:當鐵線腳及刷毛腳與桌面接觸時,不同的擠壓作用所產生的摩擦力亦不同,使得鐵線腳及刷毛腳獲得不同大小的桌面作用反作用力而產生運動!



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