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梅期光/共發表7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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水振動波紋觀測器與橡皮筋振動波形觀測器

  撰文者:梅期光  2017-05-24
  點閱次數:55


筆者經常受邀至國中小推廣科學實作演講經驗中,常有老師詢問一個問題:科學實作與科學勞作或科學玩具有何差異?這個問題可從年段限制、作品精密度及操作過程來分析:

科學實作與科學勞作或科學玩具從作品名稱看似並無差異!但科學勞作或科學玩具強調的是操作者在操作科學勞作或科學玩具的趣味性與美感!因此在科學勞作或科學玩具作品的精密度及操作者年段上比較沒有限制。一般而言,學齡前、國小低中高及國中年段都能適合!而科學實作就必須考慮到科學實作作品的精密度及科學實作作品操作者在年段上的限制!

不論是從操作科學玩具或科學實作作品後產生的現象學習科學,都必須從觀察、紀錄到推理、思考的整個過程進行。因此,對於學齡前、國小低年段較適合以觀察為主方式的學習,而國小中、高年段及國中年段,就可從觀察、紀錄到推理思考的整個過程進行學習!在國中小年段科學教育新課綱已確定推動學生操作能力課程的目標後,科學實作課程勢必能提供國中小科學教育課程的有效輔助媒材,教育主管單位在國中小科學教師科學實作教學的增能研習應該積極推動,以因應新課綱推動時的師資需求!

本期科學實作作品介紹水振動波紋觀測器與橡皮筋振動波形觀測器,這兩項作品與前期介紹的振動刷毛蟲與振動鐵線蟲都是利用重心變化作用,只是在不同材料及環境產生不同現象,這也是科學實作的一種創意變化,提供給讀者另一種學習參考!

 

材料

工具

 

製作步驟

. 水振動波紋觀測器:

1. 製作場磁鐵基座:用簽字筆在長1 cm的粗膠條振動子橫截面標記圓心位置,再將直流馬達轉軸插入圓心與圓周的中間位置,如圖一所示。

 

圖一

 

【注意事項】直流馬達轉軸插入粗膠條振動子位置以距粗膠條振動子圓心及圓周位置的中間區域為宜,如影片1!(影片1網址:https://www.youtube.com/watch?v=tGk8wE5iNCo)

【注意事項】固定粗膠條振動子後,須觀察膠條振動子轉動情形,應確定膠條振動子轉動時不會碰觸免洗圓形紙碗底面振動面!

【注意事項】直流馬達轉軸越靠近圓心時,水波源振動裝置產生振動效果較不明顯,直流馬達轉軸越靠近圓周時,膠條振動子圓周邊緣越容易破裂而脫落!

 

2. 固定水波源振動裝置:用泡棉膠帶將振動子馬達黏著固定在紙碗底面的中央位置,如圖二所示。

圖二

 

3. 將3號電池盒正、負極兩導線分別纏繞在馬達兩金屬導電片上,如圖三所示。

圖三

【注意事項】正、負極導線纏繞在直流馬達兩金屬片時,須注意纏繞穩定,避免振動裝置高速轉動時會造成導線脫落現象!

 

4. 取另一個相同形式紙碗做為水振動波紋觀測器底座,將兩個紙碗以底面對齊相扣(此時振動子馬達被包覆在兩碗底面之間),然後用透明膠帶黏著固定,如圖四所示。

 

圖四

 

5. 製作抽取條電池:取約10公分長度透明膠帶纏繞在電池正極位置,多餘長度的透明膠帶則相互黏貼,如圖五所示。

 

圖五

 

【注意事項】因3號電池盒並無裝置開關,一般從此類電池盒抽取電池都是以手指指甲尖端為之,為避免手指指甲損傷,故利用透明膠帶製作抽取條,以利電池的抽取操作。

 

6. 完成水振動波紋觀測器實作裝置,如圖六所示。

圖六

 

7. 操作水振動波紋觀測器作品說明:

(1) 將水注入水振動波紋觀測器振動碗內,碗內水深度以振動器振動後水滴不溢出為宜。

(2) 將電池壓入電池盒後,即可觀察水振動波紋觀測器振動碗內水波紋變化,如影片2!(影片2網址:https://www.youtube.com/watch?v=m4_qL4bEaM0)

 

 

. 橡皮筋振動波形觀測器

1. 製作橡皮筋波形觀測器振動裝置:用簽字筆在長3 cm的粗膠條振動子側面上標記中央位置及邊界位置,再將直流馬達轉軸插入中央與邊界的中間位置,如圖七所示。

 

圖七

【注意事項】直流馬達轉軸插入粗膠條振動子位置以距粗膠條振動子側面中央及邊界位置標記中間位置中間區域為宜,如影片3!(影片3網址:https://www.youtube.com/watch?v=7u3s0XB6ihk&feature=youtu.be)

【注意事項】直流馬達轉軸越靠近中央位置時,橡皮筋波形觀測器振動裝置產生振動效果較不明顯,直流馬達轉軸越靠近邊界位置時,膠條振動子邊界邊緣越容易破裂而脫落!

 

2. 將3號電池盒正、負極導線從電池盒內中央固定圓孔穿出,再將正負極導線相互纏扭成螺旋狀,如圖八所示。

圖八

【注意事項】正、負極導線相互纏扭成螺旋狀的目的:1.可增加正、負極導線所能承受的拉力!2.減少施力時,因正、負極兩導線分開所產生拉力不均勻影響振動裝置振動效果!

 

3. 將3號電池盒正、負極兩導線分別纏繞在馬達兩金屬導電片上,如圖九所示。

 

圖九

【注意事項】正、負極導線纏繞在直流馬達兩導電金屬片時,須注意纏繞穩定,避免振動裝置高速轉動時會造成導線脫落現象,增加操作過程的困擾!

 

4. 用剪刀將長條橡皮筋剪斷,再將橡皮筋重複打結方式綁住束帶,如圖十所示。

 

圖十

 

5. 將束帶尾端穿入束帶前端插孔成束帶環,並將多餘橡皮筋打結位置的橡皮筋剪除,如圖十一所示。

 

圖十一

 

【注意事項】使用束帶時,應注意束帶尾端插入束帶頭前端的方式,若穿入方式錯誤並不能達到束帶頭內卡榫的功能,操作者可自行檢測。

【注意事項】剪除橡皮筋打結位置多餘長度的橡皮筋,可避免馬達振動器振動時,多餘長度橡皮筋與振動器一起振動時所產生的干擾效應!

 

6. 組合電池盒振動馬達、綁橡皮筋束帶環裝置:將束帶環套入馬達振動器,用力拉緊束帶環,如圖十二所示。

圖十二

【注意事項】檢測束帶環功能是否正常?1.束帶環拉緊後,一手持馬達振動器,另一手拉扯電池盒導線,若馬達導電片沒有反應時,表示束帶環功能正常!2.反之,拉扯電池盒導線時,若馬達導電片產生鬆動,需再拉緊束帶環!

 

7. 完成橡皮筋振動波形觀測器裝置,如圖十三所示。

圖十三

 

8. 操作橡皮筋振動波形觀測器作品說明:

(1) 將電池負極端先置入電池盒,左手四指握住電池盒,拇指按住電池正極,右手拉緊適當長度橡皮筋。

(2) 左手拇指將電池壓入電池盒後,以捏緊橡皮筋施力拉緊改變橡皮筋拉力或鬆弛橡皮筋改變橡皮筋長度等方式,即可觀察馬達振動器使橡皮筋產生振動的波形變化,如影片4!(影片4網址:https://www.youtube.com/watch?v=g3jlQEoPMeg&feature=youtu.be)

 

現象觀察與推理思考

.水振動波紋觀測器

1. 先測量水振動波紋觀測器紙碗內水深度,開啟電源,觀察水振動波紋觀測器紙碗內各區域的水波性質(如波紋型式、振幅大小等!) 的規律性。

2. 承步驟1.改變水振動波紋觀測器紙碗內水不同深度,開啟電源,觀察水振動波紋觀測器紙碗內各區域的水波性質(如波紋型式、振幅大小等!) 的規律性。

3. 若改變水振動波紋觀測器紙碗內水的其它性質(如水溫度高低、水中添加少量透明膠水增加水的黏滯性…等),再觀察水振動波紋觀測器紙碗內各區域的水波性質(如波紋型式、振幅大小等!) 的規律性。

 

.橡皮筋振動波形觀測器

1. 選定固定長度橡皮筋:開啟電源,觀察橡皮筋振動波形觀測器橡皮筋產生波動性質(如波紋型式、振幅大小等!) 的規律性。

2. 承1.緩慢施力拉緊橡皮筋,即改變振動橡皮筋介質的彈力或形變量大小:開啟電源,觀察橡皮筋振動波形觀測器橡皮筋產生波動性質(如波紋型式、振幅大小等!) 的規律性。比較步驟1.與2.橡皮筋波動性質的差異為何?波數的量與振動橡皮筋介質的彈力或形變量大小的關係為何?

3. 承1.稍微鬆開捏緊橡皮筋力量緩慢鬆開橡皮筋,即不改變橡皮筋介質的彈力或形變量大小,只改變橡皮筋介質長度:開啟電源,觀察橡皮筋振動波形觀測器橡皮筋產生波動性質(如波紋型式、振幅大小等!)的規律性。比較步驟1.與3.橡皮筋波動性質的差異為何?波數的量與振動橡皮筋介質的長度關係為何?

4. 當橡皮筋產生穩定固定振動波形時,可用手分別碰觸橡皮筋波形的波節點、波腹或振動波形其它位置,對波動會產生哪些影響?

5. 若忽略其它能量消耗,試問橡皮筋振動波形觀測器振動器產生振動能量與各種不同波形的關係為何?2. 請操作者從螺何?

 

學習水振動波紋觀測器與橡皮筋振動波形觀測器有關科學原理

1. 電流磁效應:電流磁效應:馬達的轉動原理是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,同時改變馬達的重心位置,固定在紙碗振動面會與馬達產生相同的振動頻率。

4. 形變與彈力:當紙碗振動面受到擠壓力量作用時,紙碗振動面會產生彎曲形變,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,紙碗振動面就會對振動面上的水產生大小規律的作用力。

5. 波振幅與波形:水振動波紋觀測器與橡皮筋振動波形觀測器的振動器會使振動面或橡皮筋產生振動,水或橡皮筋介質會獲得振動器產生能量而轉變成水或橡皮筋的波動現象,波的振幅與波形分布都與振動器產生能量有關!

6. 波腹:穩定振動波動,波介質振幅最大的位置。

7. 波節:穩定振動波動,波介質保持靜止不動的位置。



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