生活化實驗設計模組

生活化實驗設計模組一牛頓第一運動定律

高永遠*

陳淑敏**

賈至達***

鄭嘉良****

*臺北市立蘭雅國中

**臺北縣立五峰國中

***國立臺灣師範大學物理學系

****國立東華大學物理學系

目 IJ 昌 單身貴族大牛週末午睡一覺醒來，發現 天色昏暗，似乎快下雨了!趕忙去收時在陽 台的棉被，並順手拿起棍子，將棉被打-}J

1

'除去灰塵，抱入房間。突然電話鈴響，大 牛衝過去接電話時，一個不小心，撞到附輪 子的電腦座椅，椅子衝了出去，但卡到地上 的東西而停住，而放在椅子上的東西卻飛了 出去 2 0 大牛接完電話，才覺得手肘因剛才 的撞擊而疼痛不已 3 。收拾好書本，想到應 該到大賣場去買-些日用品，便下樓開車出 去。這部車子的加速性能很好，由靜 rr_ 加速 到時速 100 公早，不用十秒鐘 4 ，每次一草一 踩油門，立即產生貼背感 5 '亭，于便飛似地 衝出，這可是大牛最得意的事。大牛當然再 -次地表現他愛車的加速性能，不過大牛也 想:如果肥豬、阿胖那幾個大噸位的死黨也 在車上，恐怕加速就沒那麼順暢了 6 。車 k 高速公路後，大牛維持最高時速前進，過了 一會，他納悶地看著一隻討厭的蚊子，竟然 悠哉地在他車內飛來飛去;大牛想: ，-我的車 速可不小呢!這隻蚊子居然可以飛這麼快

7?

J 突然，車外下起j旁沱大雨，大牛發現:

當雨滴打到車窗時便會破碎成小雨點8 '同 時每當車 F 遇紅燈停 F 來時， .!車頂上的雨水 便會順著車窗流下來 9: 而當綠燈亮時，停 在他前方的車子→且緊急加速，車上的雨水 便會像瀑布 A 樣，嘩啦啦地流到車後地面 10 0 這可真好，為這Fj祠的週末增添幾訐趣 味。 到了大賣場，大牛便開始大採購，將自 己的于推車堆滿了東西。大牛發現愈來愈難 推動車子了 11 0 經過工其部時，便想自己的 鐵鎚壞了，每次都要將木柄朝下往地面上 敲，才能使鬆脫的木柄和鎚重新密合12 '但 不一會兒又鬆了，所以拿了把新鐵鎚。不料 車專身，不小心撞到一位小朋友，他痛得哇 哇大叫。雖然不斷道歉，但仍被孩子的母親 數落了一頓。大牛心裡畸咕著，-我也很痛

呢!

13

J 由於心情大壞，大牛匆匆結帳回家

了。

說明:

1 '

2 、 3·.. 表示這部分和牛頓三大運動 定律有關，請討論或說明是和那一個定律有 關。

壹、活動觀察與紀錄

動一:彈硬幣 1.取 A 疊(約 10 {[?i] )10 元硬幣。

2. 硬幣相疊直立，中間取﹒硬幣凸出。 3. 猛彈中間凸出的硬幣，觀察發生的情況。 想想看: 為什麼猛彈中間凸出的錢幣時，被彈的 錢幣會飛出，而其上方的錢幣會直接落至原

處下方?

活動二:彈硬幣 1.取一-疊(約 10 個)

1

0 元硬幣。 2. 硬幣相疊直立，另取」硬幣置於相疊硬幣 旁約 3~5 公分處。 3. 請您先想 J 想，如果用于將單獨硬幣用力 彈向相疊硬幣，是聖疊硬幣或僅是 A 枚硬 幣會飛出，然後貫作並觀察發生的情況。 想想看: 為什麼硬幣會飛出?為什麼祇有一枚硬 幣飛出?為什麼其它硬幣沒有跟著移動，而 留在原處? 誰:不要僅考慮牛頓第一運動定律，自然界 的現象往往沒有那麼?單純! 活動三:掃積 1.準備一些積木(疊疊樂卅日，把尺。 2.把四、五個積木(疊疊樂)一個接-個地疊起 並排列的很整齊。 3. 用一把尺靠在桌面，向那一疊積木(疊疊樂) 最下方快速地掃過去，觀察發生的情況。 (請重覆數次) 主主:所使用的積木不要太厚，否則會因疊高 後重心不穩，實驗不容易成功。疊疊樂、火 柴盒或棋子都是不錯的選擇。另外放置的平 面不可以太粗糙(為什麼呢? )同時如呆好好 練練習，應該可以掃下中間任何一塊積木， 而不會使整疊倒塌，您可以試試看。 想想看﹒ 為什麼常尺向疊疊樂最下方快速地掃過 去時，亨氏有最下一塊疊疊樂會被敲出，而其 它的疊疊樂會留在原處?如果掃過去的速度 慢 4些，情況會不一樣嗎? (您可以試試看) 活動四:杯 l 取→張紙和 i →個杯子。 2. 紙放在桌于邊緣附近， 公司占一露在桌邊外。 杯子盛半杯多的水放在紙上。 3.慢慢地拉動紙片，觀察發生的情況。 4. 將紙猛然抽出，觀察發生的情況。 想想看: 為什麼慢慢地拉動紙片時，杯于會和紙 片 A起移動?為什麼將紙猛然抽出時，杯子 會留在原處。為什麼兩者會有所不同? 注:本問題與「問題與討論」的第二題、第 三題類似。 五:接硬幣 l.i准備才開十元硬幣。 2. 將硬幣放在于肘上。注意:手肘要和地面 平行，硬幣的位置是在于肘關節處。 3. 用放硬幣的|司-隻于抓硬幣。方法是手肘 迅速向下，而j 于掌向前抓。可以這樣說: 想像成直接將手伸向硬幣所在位置(動作 要快)。如果技巧，夠純熟，應該可以抓得到 硬幣。 註:示範這個活動的效呆不錯，但是事先請 多練習幾二欠。如果希望效果更好，可以在手 上放更多硬幣，當然，這需要更多的練習。 想想看: 為什麼你可以捉得到硬幣?為什麼抓到 硬幣的位置，似乎就是原先硬幣所在的位 一 49 一

科學教育月刊 第 263 期 中華民國九十二年十月 置? 1.一杯水上放一小片茶葉，使其浮在水面上。 2. 轉動杯子，觀察葉片的運動情形。快轉或 慢轉時有何不同嗎? 3. 將杯子很左、右、前、後移動-小位移， 觀察葉片位置改變情形。 註:杯子裡裝的是茶湯還是水、茶葉種類、 茶葉泡聞與否都會影響茶葉是否會浮於水面 上，建議您在實驗前先試驗一下。 本實驗亦可用水撒些胡椒粉(或其它不 溶於水的小粉末)來做。如果用胡椒粉，您可 以看看杯壁附近及中心的運動有何不同，應 該還可觀察到別的現象，特別是使用熱水時。 解釋液體的慣性時，將液體想成出一層 一層的「皮」組成({象一個套一 1固杯子)會有 幫助。 想想看: 轉動時，什麼情況茶葉葉片停在原處? 什麼情況茶葉葉片會跟著移動?為什麼?為 何中心和邊緣的水運動快慢不同?移動時又 如何呢?為什麼? 活動七:轉雞蛋 l 取一個生雞蛋放在一個盤子。 2. 用于轉動盤子， f吏蛋在盤中旋轉。 3 在蛋仍在轉動時，用于點在其上使其暫停 一下，然後放手，觀察發生的情況。 想想看: 為什麼手已點停了雞蛋，但放于後，雞 蛋卻仍會繼續旋轉? 註:本題在「問題與討論」第一題中另有探 討。 活動八:拉J I.準備保特瓶、橡皮筋、線(或繩)、剪刀和尺。 2. 把線把在橡皮筋上，而橡皮筋套在保特瓶 }三。 3. 拉線直到能使瓶子移動，測量橡皮筋伸長 的長度。 4. 使瓶子裝滿水，再拉線直到塑膠瓶移動， 也測量橡皮筋伸長的長度。 註:本活動為了讓學生可以在家中實驗，所 以用橡皮筋;在學校進行時可改用彈簧秤， 同時用彈簧秤讀數代替橡皮筋長會更好。另 外為使橡皮筋兩次都有伸長的效果，建議使 用大一點的飲料瓶，並用裝半滿和全滿的水 比較。 想想看. 為什麼拉裝滿水的保特瓶的橡皮筋伸長 量比較大?這和慣性有何關係?物體的質量 和慣性有何關係? 九: 1.準備長板(尺)、小玩具車、膠帶、鉛筆、厚 書兩本和黏土。 2. 將長板一端架在一本書上，使成一斜面。 把鉛筆黏在斜面末端大約兩倍玩具車身長 度處。將黏土捏成 A 個小人(或用小玩具 人)。用黏土將小人輕輕黏在玩具車的車蓋 上，但不要固定。 3. 將玩具車(含小人)由斜面最高處放開，自由 下滑，撞到鉛筆後，小人會飛出，測量小

人飛出的距離。(重複數次，求平均值)

4.把另一本書疊起來。再重覆步驟 3 及測量 小人飛出來的距離。 註:本實驗變數很多，效果不一定好，建議

事前先試驗，必要時修正器材會較好 o 想想看: 為什麼速度快的車子上的小人飛出較 遠?慣性和速度有什麼關係?如和活動八合

1f千考量，代表慣性的物理量為何?

貳、其它實例

生活中還有許多現象可以說明「牛頓第 J 運動定律 J (慣性定律) ，以下就是一些例 子。這些實例，我們不再列入活動中，祇在 這裡做介紹，提供大家參考。同時也建議讓 學生就其中一些現象討論，以使學生對慣性 定律有更清楚的認識。

>

靜止汽車突然開動，或行駛中的汽車突 然加速時，車內乘客會向後仰;反之如 果是突然煞車時，人會向前傾，這也是 為何要繫安全帶的原因。(那為什麼除非 肇因於意外，不容易看到駕駛者有這樣 的現象?

)

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汽車、火車等速前進或速度變化不大 時，車內的人、蚊蟲可自由行動;即使 車速很快，要在車內運動都不需要很費 力。 》在等速前進的火車上垂直跳起或丟銅 板，人及銅板會落回原處。

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煞車後，雖然車子已沒動力，但車 F仍 會向前滑行，尤其是在雨天，滑行距離 更遠，所謂「天雨路滑，小心駕駛」。

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打板擦、打棉被可使灰塵脫落。

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菜刀、斧頭的柄鬆脫時，可將柄朝下向 地面敲擊，可使刃部與柄重新緊密結合。

>

搖果樹可使果實脫落。

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推鉛球前要先滑步。

>

百米賽跑抵達終點時，選于無法立即停

下來。

>

旋轉雨傘，雨滴即治切線飛出。(這不口洗 衣機脫水的原理相同)

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公共廁所多用捲筒式衛生紙。要撕下 它，除了用雙手拉扯外，用單于撕下時， 用突然、快速地撕它，不能慢慢拉。

>

甩于上水滴: (這有幾個現象)

A.

甩于時，甩到定點便停住，沒有隨 水滴一起甩出;

B.

于上較大的水滴，在甩于的瞬間，

維特在原虛而落下;

C

而較小的水滴仍附著在于上，在甩 于出去停止的瞬間，部份水滴維持 慣性而飛出。(為什麼甩手前後， 都有水滴留在于上?

)

參、問題與討論 →、有種不需要打破雞蛋就可以鑑別雞生熟 方法(非破壞性檢驗) ，就是將生蛋和熟 蛋分別放在盤子裡'用相同的力氣轉 動， fE 該會很明顯地看到一個蛋轉得 快，另一個轉得慢。轉得快的是熟蛋， 轉得慢的是生蛋。 fE知道為什麼嗎?同 時「活動二」裡的生蛋如果改用熟蛋， 情況會有什麼不一樣? 二、在介紹慣性的書籍中，常舉一個例子: 杯子上方放一張紙，紙上放一個硬幣。 如果將快速抽掉，硬幣會掉在杯子裡; 如果慢慢地抽紙，硬幣會隨紙張移動。 書上說這個實驗證明了「慣性 J' 但是為 什麼快速抽紙與慢慢抽紙的結果不千美 呢? 51 一

科學教育月刊 第 263 期 中華民國九十二年十月 二、在前面的問題哩，有人用衣夾取代硬幣。 在快速地抽紙時，有時衣夾會直接掉到 杯于裡;有時會翻轉掉到杆子裡。為什 麼同樣快速抽紙，會有不才是的情況? 四、還有→個在介紹慣性時經常會提到的例 于﹒一個木塊上下方各裝 L 附環螺絲 釘，上方螺絲釘再以線連到-堅固的勾 f 以懸掛起來，下方螺絲釘也連上→ 線。如果將 F 方的線猛力向 H立，則下 方線會斷掉，但重物仍懸掛在那兒;如 果慢慢地拉動下方的線，則通常是上方 的線于斷掉，這又證明了「慣性 J' 為什 麼快扯莉 I 慢拉的結果會不 A 樣呢? 註:您可以將本問題轉換成活動，由您示範 或請學生{~止。敘述中的木塊可用鐵鎚、磚塊 或其它重物 o青用掉落到地面時不會斷裂的 物體) ，附環螺絲釘可用綁一個繩圈代替，上 下的繫線須用棉線，不可用尼龍線，再將整 個裝置懸掛起來。如 fS 真地要做這個實驗， 請注意思、掛物體的下方不要有會被打破或受 傷的物品或人員 o 五、氣功師表演時，常將一重物放在肚子上， 請人用大鐵鎚用力敲擊，結果毫髮無 傷，令人驚奇。但事實上，依慣性定律 來看，如果直接打在肚子上，傷害較大: 墊了一個重物而敲擊在重物仁，反而傷 害較少，為什麼呢? (請您不要嘗試-不論 是白己試或請別人試) 註:有個類似的活動可以拿來示範或請學生 做。請您坐下，另取一些大書或者大字典(就 是說要大而厚的書本)放在大腿上。書本上舖 些報紙(也要夠厚，以保護書本) ，報紙上放 一塊木板，然後您自己或者請別人(這樣這個 敘述中的木塊可用鐵鎚、磚塊或其它重物(最 好是用掉落到地面時，不會斷裂的物體) ，附 環螺絲釘可用綁一個繩圈代替，上下的繫線 須用棉線，不可用尼龍線(否則會失敗)) ，再 將整個裝置懸掛起來。如您真要做這個實 驗，請注意懸掛物體的下方不要有會被打破 或受傷的物品或人員。 六、已知物體在環繞地球運轉的太空梭 t是 「失重」狀態(或者說「視重」為零，即 物體秤不出重量) ，物體會飄浮在太空梭 押，。請您思考並回答 F 列問題: I.在位於地面的光滑無摩擦平面上，推寸固 lOOkg 的靜 Ir物體，使其開始運動，和在太 空梭上推飄浮在其中的 lOOkg 靜 Jr.物體， 使其開始運動，兩相比較，何者較容易? 為什麼? 2.在太空梭上，將-質量 lOOkg 的物體置於 兩于之間，欲使該物體在兩手之間快速地 來回運動(假設您已固定在座位上，除雙于 外，身體不能任意活動) ，會不會費力?為 什麼?

肆、「問題與討論」參考答案

A 、因為生蛋裡的蛋向是流體(液體) ，當轉 動生蛋時，由於蛋白(流體)的慣性，不 能隨蛋殼一般快速轉動(蛋白轉動得很 慢) ，於是蛋白就與蛋殼滑聞，這種現象 造成的擦摩力，使得生蛋旋轉得較慢。 而熟蛋的內部蛋白、蛋黃都凝固了，而 與蛋殼合成一體，全部雞蛋一起轉動， 沒有了內部流體的擦摩力，當然轉動得 比較快。在活動二裡，放手後生蛋則會

自動的再旋轉起來，但是變得比較慢(為 什麼呢? )這樣因為:當手指點停了生蛋 時，雖然蛋殼暫時停住了，可是蛋白(流 體)還在旋轉(慣性) ，因此鬆于後，蛋白 藉著摩擦力帶動外殼繼續旋轉了。如改 用熟蛋，則用于停止蛋的運轉後再放 于，由於全部雞蛋都已經停止了，雞蛋 不會再度旋轉。 二、硬幣和紙之間有摩擦力。當將紙快速地 抽掉時，因為摩擦力作用的時間很短， 不足以使硬幣產生足夠的速度變化及位 移，因此雖紙已抽離，但硬幣還在原處 (或原處附近) ，然後受重力作用而掉入 杯子裡。如果|量慢地拉紙，因為作用時 間夠長，所以硬幣可以和紙一起運動。 三、衣夾和紙之間也有摩擦力 O 和前面的問 題一樣，如果很快地抽掉紙，因為幾乎 沒有把力量傳給衣夾，因此衣夾會因為 受到地心引力的影響，而垂直往下落。 而如果抽紙的速度不夠快，紙就會把衣 夾的底端向前拉，而使衣夾翻轉，再因 為受到地心引力的作用，而使衣夾頭!毛 顛倒的掉進杯子裡。當然，如果抽紙的 速度再慢一些，衣夾就會倒在紙上，和 紙」起運動 O 四、當快速拉下方的線時，由於木塊的慣性 抵抗您的拉力，所以抵有少數張力傳到 上方的線，所以下方的線會斷掉;而慢 慢拉時，由於上方的繩子同時受到木塊 的重量及您的拉力，因此受到較強的拉 扯力量，因此慢慢拉時，通常是上方的 線斷掉 O 司、〕 月、 d 五、重物的質量很大，所以慣性很大。因此 當鐵鎚重擊時，重物的慣性抵抗了重 擊，重物的加速度很小(這部份是牛頓第 二運動定律) ，因此傳給肚子的撞擊很 小，所以傷害較小;如果鐵鎚直接打在 肚子上，那傳給肚子的動能就大得多， 傷害也比較大 O 註:上述討論不考量鐵鎚敲擊時產生的脈銜 街擊波 o 六、改變物體的運動狀態，要克服物體的慣 性。物體的慣性和其質量與速度有關， 或者說和其動量有關。要改變的動量愈 大，所需要的力氣愈大。(這部份和牛頓 第二運動定律有關)。因此: 1.如果有摩擦力，要使物體由靜止開始運 動，必須克服最大靜摩擦力。在沒有摩擦 力的情況 f' 就如在「失重」狀況一樣， 要使物體由靜 Jt 開始運動，都是要克服其 慣性。因其動量是零，所以祇要有施力即 可改變其動量，物體就會開始運動;施力 時間愈長，施力愈大，物體的速度就愈大。 2. 雖然在「失重」狀態，但仍有質量，仍有 慣性 O 當要讓 lOOkg 的物體快速地在兩于 運動，我們須施力使它停下來，又要更多 的力讓它朝反方向快速運動，我們要克 服、改變的動量很大，故會費力。 註:本學習模組是國立臺灣師範大學科學教育 中心之「國中數學及自然科學生活化實驗設計 學習模組的研究開發與推廣計畫」研究成果之