研究背景與動機

本章共分為四節，第一節說明本研究的背景與動機，第二節對本研究 目的與待答問題做說明，第三節解釋本研究所使用的相關名詞，將本研 究的重要名詞，做範圍與內容涵意上的界定，第四節說明本研究之研究 範圍與限制。

第一節 研究背景與動機

一般市面販售的商業玩具多著眼於趣味性，缺乏科學探究性，並不適 合直接作為科學教材。如何將現有的玩具轉化為具科學探索意義的教學 素材，讓學童能夠藉由探究活動了解與學習其中的科學內容，成為近年 科學教育中一項值得研究的課題(謝國弘，2013；張美珍，2008)。若將 一般科學玩具視為一個多變量物理系統，則其所呈現的趣味現象，經常 是在非簡化的條件下以動態的方式進行，各變量間以非線性方式發生關 聯。因為非線性現象往往超越生活經驗的範疇，讓一般人對其趣味現象 經常難以常識進行論斷 (謝國弘，2013)。這項特點或許是玩具迷人的趣 味之處，卻是欲以玩具為依據發展科普教育所必須面對的困難。因為這 項限制，讓多數題材僅能在動手勞作階段進行，未能進一步進行推展至 教育階段，大大降低了科普推廣的意義(張玉山，2008)。另一方面，由 於多數人未能深查此點，使得參與推廣教育者，不論是推廣者或是學習 者，均對科學學習的認知產生了或多或少的誤解，認為所謂的科學學習 即是趣味性的感受，或是誤將似是而非的方式來理解其科學意義以為獲 得正確了解(維基百科，2014)。隨著此類推廣教育在國內逐漸廣泛的推

動趨勢下，使得本來想提升國民科學素養的宗旨，卻可能因而產生不良 的影響。因此如何導正對此類科普活動偏頗的觀點，發揮科學玩具的教 育意義，將是一項嚴肅而值得探討的課題。由於玩具本身具備複雜的科 學內容，無法僅依靠科學推論明白敘述其發生原因，因此若欲發展以玩 具為基礎的科學教育，本研究將視玩具為正式研究對象，採用正式科學 研究的四個歷程：觀察、設計實驗、建立模型、分析與討論等進行研究，

不因其為玩具而輕忽其科學內涵。

本研究探討紙彈簧在風力作用下產生橫向行走的遁走現象。此種遁走 現象雖然類似於一般市售的軟鋼彈簧在階梯上能夠逐級往下自走的遁走 現象，但兩者力學的發生原因不同，對前者的科學的解釋需要重新探究。

俗稱 「機靈鬼」(Slinky)的軟鋼彈簧是一種鋼製的螺旋彈簧玩具，為理 查.詹姆斯(R.T.James)於 1940 年發明的玩具。將此彈簧放在階梯上，將 其上端拉起後並彎曲至下一級階梯上然後放開，往下落的部分隨著伸長 量增加而牽動其他部分開始運動，由於重力及彈簧本身特殊的彈性特質，

使得彈簧能持續“拾級而下”的有趣自走現象 (wiki，2014)。一般將此 彈簧以似生物般行走的現象，稱為「遁走彈簧」(slinky walking spring)。

圖 1-1-1 軟鋼彈簧拾級而下的遁走現象 圖片來源: http://www.portageenv.com/community/pp/slinky.aspx

軟鋼彈簧遁走的特殊運動特性，引起許多研究者的興趣，而對其進行 不同性質的研究，如探討軟鋼彈簧的彈性特性(Lineback，1987)、探討 其 動 力 學 特 性 (Cunningham ， 1987) 、 探 討 彈 簧 縱 向 扭 轉 波 的 現 象

（Crawford ，1987）、探討彈簧縱向振動頻率（Ouseph，1987）。由於軟 鋼彈簧涉及非線性動力學(P Gluck，2010)，目前學界尚未獲致一致的結 論。

相較於軟鋼彈簧的研究情形，紙彈簧在風力作用下的遁走現象仍缺乏 類似的探討與研究。本研究的紙彈簧是利用七十磅 A4 影印紙為材料，在 其上畫出外直徑八公分，內直徑四公分的同心圓，以剪刀剪下後，在圓 周上一點向圓心方向剪開，以膠水將三十三片相同的同心圓紙片以重疊 寬度 0.5 公分方式一片接一片串接成彈簧狀。將完成的紙彈簧放在自製 小型風洞中，風洞內以風扇製造出水平橫向吹送的穩定風場，觀察紙彈 簧在風力作用下發生一面翻轉一面橫向移動的遁走現象。紙彈簧的遁走 過程分成四個程序：(1)第一片紙彈簧翻起而上升的現象：紙彈簧上方流 動的氣流造成第一片紙彈簧上下兩面大氣壓力不平衡，使得第一片紙彈 簧受到往上提升的作用力；(2)紙片發生翻轉現象：被往上提升的紙片，

受到水平風力作用，產生翻轉現象；(3)紙片往水平移動現象:受到水平 風力作用，紙片產生水平移動加速度繼而發生水平位移；(4)紙片往下落 過程，下方紙片接續前述紙片移動的軌跡發生上升、翻轉、水平移動運 動：由於紙彈簧自身的彈力，當紙彈簧伸長達到一定限度時，下方紙片 即受到彈簧彈力收縮作用而產生上升作用力，再加上風力與重力的作用，

形成下方紙片產生淨上升運動傾向。上述紙彈簧的風力遁走現象可能受 到紙片的材質(如密度、彈性、表面光滑度)、同心圓截面積大小、風速，

及氣體流動等因素的影響。

為釐清不同因素對紙彈簧風力遁走現象的影響，本研究先採實驗分析 法探討其動力學成因。假設遁走現象只受紙片厚度、環帶寬度、紙的彈 性及風速等四項因素影響來探討遁走現象過程的動力學解釋。實驗分析 採影像分析法，以高速攝影機拍攝紙彈簧運動過程，將攝取影片在個人 電腦上利用 Tracker 影片分析軟體取樣分析紙彈簧各環片頂點的運動軌 跡，進而分析其他運動物理量(角位移、角速度、角加速度)與時間的關 係。假設該過程服從力學原理(彈性力學、流體力學、牛頓運動力學)來 分析遁走現象的動力學關係。最後再將實驗結果與理論分析結果進行比 較以釐清各力學因素對遁走現象的影響。

為具體呈現前述玩具科學教育意義，設計適合進行科學普及活動使 用的紙彈簧玩具，並撰寫推廣活動教材。