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探索雪條棒大爆炸的威力

在文檔中 編者的話 (頁 141-146)

量度方法:

直尺:

我們想記錄壓舌棒的彈起高度,從而計算有多少能量釋放。方法是豎起兩把直尺(每厘米是黑白 相間的,以方便觀察)。然後用手機的慢動作攝錄(規格是120fps,普通影片是 30fps),播放時 會看動態畫面較清楚。

物件向上升起時,由於受地心吸力影響(即向下加速),所以會不斷減速,直至速度是零,該一 刻就會停留不動,然後就會向下跌。所以逐格重播,就能找出它升到最高的位置。

實驗方法:

1. 預備所需要的壓舌棒,先用4 條拼砌出如 下圖的結構。

2. 然後在兩條接近平行的壓舌棒中,穿插第5 條壓舌棒(圓圈位置所示)。留意要按指定的 角度,而且要稍為凸出約1mm (箭咀示) 。

3. 再於第5條壓舌棒和與它平行的壓舌棒,穿 插第6條壓舌棒(如下圖示的正方形,我們 稱為「第4點」,三角形我們稱為「第3點」,

即每壓舌棒會有四點互相交錯)。

4. 繼續反覆在剛加插壓舌棒的「第3點」和與 它平 行的壓舌棒的「第4點」之間,穿插新 的壓舌棒。它的邊 緣需要凸出「第4點」約 1mm。

5. 一直編織直至一邊有25個交叉點,這樣就 共 用51條壓舌棒。完成後,必須要按着最 尾位 置。當 鬆手 時,壓 舌 棒 就 會由該 處 開 始彈起,直至起點。

60°

45°

30°

由於新位置較之前位置低,就可以 判斷之前位置是最高的

指標:

但我們發覺壓舌棒數量很多,在拍攝畫面中,

很難逐條量度。所以我們想到用指標(index)

的方法:將砝碼(螺絲帽)放在相隔的交叉點,

這樣就只有12 個,數起來會較容易,但我們 發現亦有其缺點,這些指標未能全面反映壓舌 棒的彈起狀況、砝碼滑了出來沒彈起。

Micro:bit:

於是,我們又嘗試用Micro:bit 來量度,因為它 有三個方向( 橫、直、升降 ) 的加速度量度,但 技術上我們遇到兩個問題,一是要有電源,當 我們將電池盒接駁Micro:bit 和綁起來卻變得太 重,令到它壓着壓舌棒不能彈起。我們唯有改 用USB 接線供電,但缺點是火牛要小心擺位,

令USB 線盡量不會阻礙 Micro:bit 升起。第二是 未能解決記錄數據和接駁電腦傳輸的技術。

我們的發現:

壓舌棒排列的角度越大,壓舌棒能彈起的高度越高,原因是它們展開有更多空間,

互相的阻礙減少。

實驗結果:

不同的角度:

60°

30°

45°

角度

30° 30° 45° 45° 60° 60° 60°

彈起 高度 (cm)

螺絲帽1 5 10 5 9 18 11 25

螺絲帽2 20 20 13 14 28 30 17

螺絲帽3 32 0 23 22 38 53 58

螺絲帽4 39 36 42 36 42 48 48

螺絲帽5 0 33 52 49 63 60 41

螺絲帽6 65 42 52 54 31 60 60

螺絲帽7 24 55 63 60 70 83 82

螺絲帽8 26 33 60 54 31 60 60

螺絲帽9 36 42 57 55 70 83 82

螺絲帽10 41 55 63 49 60 57 70

螺絲帽11 21 58 41 52 65 60 68

螺絲帽12 24 48 56 46 59 60 49

總高度 333 432 527 500 575 665 660 總能量(J) 39.2 50.8 62.0 58.9 67.6 78.2 77.6

我們的發現:

幼的壓舌棒彈力不足。就好像橡皮筋一樣,越粗的拉起時我們施力亦要越多,才可以儲存更多能量。

我們的發現:

我們將裁短了1cm 的壓舌棒進行測試,發現彈 起的高度較高,因為是拗彎得更厲害。但原來 已趨極限,再短1cm(即長 16cm)我們已無法 編織來測試。

不同的粗幼:

不同的長度:

長度

18cm 17cm 17cm

彈起 高度 (cm)

Micro:bit 1 0 9 7 Micro:bit 2 4 21 8 Micro:bit 3 11 30 15 Micro:bit 4 11 32 19 Micro:bit 5 23 18 32

總高度 49 110 81

總能量(J) 5.8 12.9 9.5

闊度

15mm 15mm 10mm 10mm 5mm 5mm

彈起 高度 (cm)

螺絲帽1 5 22 7 1 0 15

螺絲帽2 20 16 17 4 1 7

螺絲帽3 32 17 20 11 0 3

螺絲帽4 39 21 32 9 10 8

螺絲帽5 0 33 2 10 8 12

螺絲帽6 65 37 1 10 12 8

螺絲帽7 24 18 0 12 9 0

螺絲帽8 26 26 0 12 2 0

螺絲帽9 36 28 21 10 1 0

螺絲帽10 41 23 42 10 2 0

螺絲帽11 21 27 0 12 3 2

螺絲帽12 24 11 4 0 0 3

總高度 191 279 146 101 48 58

總能量(J) 22.5 32.8 17.2 11.9 5.6 6.8

困難

實驗過程:

每次編織也很花時間,有時更會出現中途失手,

要重頭開始。所以我們只用51 條做每個測試。

較厚的雪條棒要很大力去拗,所以我們用不到。

用裁短或裁幼的壓舌棒來編織較原本尺寸更難。

實驗的誤差:

每次編織的結構都不能完全相同(每次測試應只 有一個變項改變)、壓舌棒之間存在差異、每次 編織的時間不同(我們估計擱置的時間越久,壓 舌棒的彈力會減低。)

量度的誤差:

即使用慢動作來攝錄,也未必能影到指標物件 達到頂點。再加上解象度所限,會有1-2 厘米的 誤差。另外手機鏡頭和指標物件不是水平,這樣 量度就有偏差,理想的解決方法是拉遠手機,拍 攝距離較遠,角度會趨向水平,但這樣又會令解 象度降低。有時候,指標物件會飛出畫面外,只 能以它最後蹤跡作計算。

經過多次的測試和編織的經驗,我們可以將壓舌 棒的狀況比較橡皮筋這一類的彈性物料,就可以 解釋彈得高或低的原因。較粗的壓舌棒,在相同 的拉扯程度下,可以儲存更多能量;較短的壓舌 棒編織時,拗彎的程度也較大,所以釋放時「爆 炸」的效果越厲害,若拗彎過度,會失去其回復 能力甚至斷裂,當然以我們的力量,都不會達到 這程度。但與橡皮筋不同,編織的材料必須是有 一定的硬度,否則不能互相扣着以維持着被拉扯 的情況。

市面上並沒有其他相同厚度但尺寸不同的壓舌 棒,想測試不同的尺寸只能削掉,而不能有較 長/較闊的棒去測試,令我們的探究受到限制。

將來希望能找到理想的大壓舌棒。另外我們想用 Micro:bit或類似的技術去測量,增加精確度和減 省時間,甚至可以思考出量度每一條壓舌棒的彈 起高度,有一個更全面的結果。

學 校 杜 綺 華 老 師、何 美 瑩 老 師、趣 味 科 學 園 陳國相老師。

Bitty Sofeware (n.d.), Bitty Blue App, Retrieved http://www.bittysoftware.com/apps/bitty_

blue.html

Dummies (n.d.), How Postitive and Negative accerleration relate to speed and velocity, Retrieved h t t p s : // w w w. d u m m i e s . co m /e d u c a t i o n / science/physics/how-positive-and-negative-acceleration-relate-to-speed-and-velocity/

Math is fun (n.d.), Potential and Kinetic Energy, Retrieved https://www.mathsisfun.com/physics/energy-potential-kinetic.html

The Week in Science (2013), How To make a Cobra weave stick bomb, Retrieved

ht tps://w w w.johnnosscience.com/cobra-weave-pop-stick-bomb.html

洪彤菲同學:

在這次科學探究中,我有機會 透過不同變項而了解改變勢能的因素,也能進一 步提升演講和思考能力。我們非常感謝各位老師 的指導。

黃樂瑤同學:

我感到十分高興和榮幸可以再 次參加常識百搭。在這次探究中,我們要令雪條 棒「大爆炸」,這個探究能提升我對科學探究的 精神,亦學會與同學分工合作去完成任務。參與 這次探究令我獲益良多。

呂樂之同學:

在預備參加常識百搭展覽過程 中,同學們都很認真和用心地用不同的方法和途 徑製作「雪條棍大爆炸」。我們在當中經歷了不 少失敗和挫折,但經過屢敗屢戰,最後達至成功。

何恬怡同學:

我覺得「雪條棍大爆炸」這個探 究很有趣。我很感謝老師給我一個這麼寶貴的 機會去參加「常識百搭小學STEM 探究展覽」,

我以後會多研究與科學有關的課題。

趙穎晞同學:

我非常榮幸可以和同學參加常 識百搭活動。在準備的過程中,我們先一起討論 題目,再齊心協力地進行探究。我們利用不同原

總結

期望

鳴謝 參考資料

感想

小 貼 士

實驗有趣,亦能運用不同設計,有系 統地找出不同因素之影響,能充分運 用STEM 的原理。

理和物料作出嘗試,努力地鑽研。我們放假亦回 校練習,務求做到最好。這個活動讓我學習到很 多科學知識,更明白到作為一個團隊一份子,我 們要無懼艱辛地達成共識。勇於嘗試和緊密合作 都是非常重要的。贏固然會開心,但我覺得比起 輸贏,可以享受當中過程更為難能可貴。

陳 婥 之 同 學:

當 我 知 道 代 表 學 校 參加 第 二十二屆「常識百搭小學STEM 探究展覽」時,我 的心情既興奮又緊張。我在練習「雪條棍大爆炸」

時,會仔細地研究其結構性、彈性及平衡拼砌的 技巧。這次比賽不但豐富了我的科學知識,還增 進了我和同學們的感情。我會在活動中全力以赴,

做到最好,為學校爭光。

在文檔中 編者的話 (頁 141-146)