馮兆筠 李慧安 林倩鈺 張名宇 馮志龍 陳柄旭
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圖 3：角動量向量示意圖，其中(a)表風扇角動量 L0朝+i 方向；(b)表風扇角動量 L0朝i 方向
不可打到圓盤表面，如圖 4e 所示。然後，再將 1.5V 電池裝入電池盒，即組裝完成一 組圓盤風扇陀螺實驗裝置。
表 1：製作光碟圓盤風扇陀螺的材料規格與工具
序號 品名 數量 質量(g) 備註
1 光碟圓盤 1 個 14.62 光碟圓盤(直徑約 12cm) 2 四葉片風扇 1 個 5.06 風扇直徑 10cm 3 馬達 1 個 16.25 最大轉速約 30000 rpm 4 電池組 1 個 34.87 電池盒+1.5V 電池兩顆 5 小鐵墊片 2 個 1.48 每個約 0.74g 6 中鐵墊片 2 個 2.86 每個約 1.43g 7 大鐵墊片 4 個 23.28 每個約 5.82g 8 1 元硬幣 4 個 15.26 每個約 3.82g 9 5 元硬幣 4 個 17.40 每個約 4.35g
10 熱熔膠槍 1 把 工具
11 瞬間膠 1 個 工具
12 雙面膠 1 捲 工具
13 透明膠帶 1 捲 工具
(a) (b) (c)
(e) (d)
圖 4：圓盤風扇陀螺實驗裝置的製作過程
(五)我們使用的風扇為四葉片，為了改變葉片質量，我們將鐵墊片或錢幣以膠帶黏附於葉 片上，但須考慮軸向對稱性，從兩個至四個葉片的黏附皆需對稱，黏附方式如圖 5，
黏附物距風扇中心約 4cm。因隨著葉片鐵墊片質量增大，風扇轉動角動量也隨之增 大，其中風扇維持固定的逆時針旋轉方向。然後，進行不同角動量的轉動態平衡實驗，
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再利用數位攝影機記錄動態平衡狀態與進動現象，並運用電腦軟體分析進動旋轉角速 度。
圖 5：風扇葉片黏附軸向對稱鐵墊片方式，其中(a)與(b)分別為兩個與四個鐵墊片對稱情形。
二、塑膠圓盤風扇陀螺的製作過程與實驗設計
塑膠圓盤風扇陀螺的製作過程大致與光碟圓盤風扇陀螺近似，請參閱光碟圓盤風扇陀 螺的說明，不再贅述，而製作使用工具也完全相同，亦請參閱表 1，這裡僅就材料規格詳列 如表 2。至於實驗設計方面，因塑膠圓盤面積較大，除了可在風扇葉片黏附鐵墊片或錢幣外，
亦可利用磁鐵直接吸附在圓盤面。由於這裡採用的風扇規格與光碟圓盤風扇陀螺相同，故 風扇葉片黏貼附件方式可參閱前述光碟圓盤風扇陀螺的實驗設計，這裡僅介紹磁鐵吸附圓 盤面的實驗設計如下：
(一)為了降低圓盤重心高度以利平衡，並考慮質量對稱性，我們將等質量磁鐵吸附在圓盤 電池盒兩側，大約距盤底高度約 2.5cm，距盒中心約 3.5cm，如圖 6 所示。
表 2：製作塑膠圓盤風扇陀螺的材料規格
序號 品名 數量 質量(g) 備註
1 塑膠圓盤 1 個 28.19 塑膠圓盤(直徑約 18cm) 2 四葉片風扇 1 個 5.06 風扇直徑 10cm 3 馬達 1 個 16.25 最大轉速約 30000 rpm 4 電池組 1 個 34.87 電池盒+1.5V 電池兩顆 5 大鐵墊片 4 個 23.28 每個約 5.82g 6 10 元硬幣 4 個 30.08 每個約 7.52g
7 磁鐵 A 2 個 16.24 每個約 8.12g，長約 1.0cm 8 磁鐵 B 2 個 6.76 每個約 3.28g，長約 4.0mm 9 磁鐵 C 2 個 12.24 每個約 6.12g，長約 1.0cm 10 磁鐵 D 2 個 3.12 每個約 1.56g
(二)由於塑膠圓盤為非鐵磁性物質，若需吸附磁鐵，圓盤兩面皆需有磁鐵相互吸引，但因 原本圓盤背面的馬達與電池組質量較大，為了平衡或改變淨外力矩，我們在圓盤正面 吸附質量較大的磁鐵，如圖 6 所示，然後，持續增加正面磁鐵質量進行實驗，並以數
(a) (b)
位攝影機與電腦軟體記錄分析進動旋轉角速度。
正面 側面
圖 6：塑膠圓盤風扇陀螺吸附磁鐵位置示意圖
三、進動旋轉方向改變的實驗設計
根據第二章節圓盤風扇陀螺進動旋轉方向的理論分析，可知風扇旋轉角動量 L0方向及 作用於圓盤的淨外力矩方向，皆可能造成進動旋轉方向的改變，我們將採用光碟與塑膠圓 盤風扇陀螺進行以下的實驗設計：
(一)欲改變風扇角動量方向，僅需改變風扇旋轉方向即可，我們可將電池盒與馬達連接的 紅黑線交換即可，如圖 7 所示。若輸入馬達的電流方向改變，則馬達帶動風扇旋轉方 向就會發生改變。圖 7a 與 7b 分別為風扇逆時針方向與順時針方向旋轉的接線方式。
然後，進行轉動動態平衡實驗，再以數位攝影機與電腦軟體記錄分析進動旋轉角速度。 (二)欲改變圓盤所受淨外力矩的方向，可利用風扇葉片黏附鐵墊片及圓盤吸附磁鐵等兩方
式進行，相關的實驗方式已在前述光碟與塑膠圓盤風扇陀螺的實驗設計中介紹。
(a) (b)
圖 7：風扇旋轉方向改變之接線圖，其中(a)、(b)分別為風扇逆時針與順時針旋轉的接線方式。