5.啄木鳥

＊教案下載＊
※實作現象

　　　將綿線一端綁上重物（例如砝碼），如圖1，另一端再穿過曬衣夾的洞，並把棉線舉高，曬衣夾的頭部黏上一點黏土。實驗時將曬衣夾提高再放開，曬衣夾不會馬上滑落下來，而是慢慢地一邊滑落一邊振動，如圖2，好像是啄木鳥一直在點頭，簡單又好玩喔！

   

觀賞實驗影片（18.2M）
※原理：

曬衣夾加黏土的重量W，會由於重力往下掉，如圖3，一開始棉線（綠色線）與曬衣夾的孔洞雖然有摩擦力，但是不足以使曬衣固定不動。當曬衣夾掉落後，由於重心靠近頭步而傾斜，如圖4，曬衣夾與棉線之間的摩擦力因此增加（圖4藍色箭頭的接觸點），而使曬衣夾停住。棉線形變之後回覆原狀的作用力使曬衣夾往上運動。曬衣夾往上運動回到圖3的狀態，又再往下掉，如此反覆，就造成曬衣夾一邊滑落一邊上下振動的現象了。

 

影響曬衣夾掉落的運動狀態的因素包括：

1.曬衣夾與棉線之間的摩擦力：（1）曬衣夾2個孔洞與棉線的接觸角越大，摩擦力就會越大。（2）接觸角的角度相同時，曬衣夾加黏土的重量W越大，摩擦力也就越大。

2.棉線下端懸吊的砝碼重量：（1）砝碼越重，棉線的張力越大。當棉線形變之後（如圖4）會使曬衣夾往上運動的作用力更大，有利於往上彈跳。（2）如果棉線的張力越大則越不容易形變，會使棉線與曬衣夾孔洞的角度變小，造成摩擦力變小，摩擦力太小就會使曬衣夾容易直接滑落。

3.曬衣夾頭部的黏土重量：黏土太小太輕時，摩擦力會比較小，使曬衣夾容易滑落。如果黏土太重，則不利於曬衣夾往上彈跳。

4.棉線的材質與粗細：棉線材質的光滑或粗糙程度以及粗細，會影響和曬衣夾孔洞的摩擦力大小。另一方面，如果棉線具有彈性，容易形變，則圖4中的棉線使曬衣夾往上運動的作用力就會變小。

※探究問題

由上述原理可知影響曬衣夾運動的因素頗為複雜，本實驗建議的探究問題如下：

（一）、探究問題1：懸吊物（砝碼）的重量不同，對曬衣夾的掉落時間有何影響?

假說：懸吊物越重，曬衣夾的掉落時間越短。

理由：懸吊物越重，繩子張力越大，會使曬衣夾彈跳得越快，掉落時間就越短。

（二）、探究問題2：曬衣夾上的黏土重量不同，對曬衣夾的掉落時間有何影響?

假說：曬衣夾上的黏土重量越重，曬衣夾的掉落時間越短。

理由：曬衣夾上的黏土重量越重，往下掉落速度會越快，掉落時間就越短。

（三）、探究問題3：棉線直徑不同，對曬衣夾的掉落時間有何影響?

假說：棉線直徑越大（越粗），曬衣夾的掉落時間越長。

理由：棉線直徑越大，與曬衣夾孔洞的摩擦力越大（因為接觸面積較大），掉落時間就越長。

※實驗設計

器材：曬衣夾、棉線、黏土、砝碼、奇異筆、碼表

操作步驟

1.取長約40公分的棉線，一端綁上重物（可用砝碼或水瓶），再將棉線穿過曬衣夾的兩個孔洞，最後在曬衣夾的頭部黏一小塊黏土。注意：黏上黏土時要避免使用曬衣夾頭部打開壓住黏土的方式，因為會使曬衣夾2個孔洞的距離產生變異，影響實驗結果。

2.在棉線的中央以簽字筆畫一段20公分的區間，當作測量曬衣夾滑落過程，計時的起點與終點。

3.拿起棉線並舉高，將曬衣夾移到最高點，等棉線不會搖晃，再鬆手讓曬衣夾掉落，並以碼表記錄曬衣夾通過20公分區間所花的時間。每次實驗時，要注意的控制變因是：曬衣夾的頭部要稍微傾斜提高之後再鬆手釋放。參見圖5；提高時棉線與曬衣夾上方孔洞的接觸點在右邊（圖4綠色箭頭），而棉線與下方孔洞的接觸點則在左邊。

 
※實驗結果：

以下三個探究問題，實驗時的相同條件（相同控制變因）如下：曬衣夾起始的姿勢如圖5、測量的滑落距離20公分、同一類型曬衣夾。

（一）、探究問題1：懸吊物重量不同，對曬衣夾的掉落時間有何影響?

操縱變因：懸吊物重量（100、300、500克）

應變變因：掉落時間(秒)

控制變因：黏土重量(3g)、棉線直徑(1mm)

 

由實驗結果得知，懸吊重物在100、300、500公克時，平均掉落時間分別為1.62、1.09、0.53秒，顯示懸吊物越重掉落時間越短。由圖6可發現，掉落時間與懸吊物重量有線性變化的現象。因此實驗假說「懸吊物越重，曬衣夾的掉落時間越短」可以成立。

 

（二）、探究問題2：曬衣夾上的黏土重量不同，對曬衣夾的掉落時間有何影響?

操縱變因：黏土重量（1、2、3、4、5克）

應變變因：掉落時間(秒)

控制變因：棉線直徑(1mm)、懸吊物重量(100g)

 

由實驗結果顯示，黏土重量為1公克時，曬衣夾落下時會直接滑落，不會產生振動的現象。當黏土為2～5克時，曬衣夾平均掉落時間逐漸增加，分別為1.31、1.73、2.18、2.59秒。由圖7可發現，掉落時間與黏土重量有線性變化的現象。因此實驗假說「曬衣夾上的黏土重量越重，曬衣夾的掉落時間越短」不能成立，亦即黏土重量越重，掉落速度反而是越慢。

 

（三）、探究問題3：棉線直徑不同，對曬衣夾的掉落時間有何影響?

操縱變因：棉線直徑（0.5、1.0、2.0mm）

應變變因：掉落時間(秒)

控制變因：黏土重量(3g)、懸吊物重量(100g)

 

由實驗結果可知，棉線直徑由0.5mm增加到2.0mm時，曬衣夾的平均掉落時間逐漸增加，分別為1.54秒、1.69秒與2.85秒。由圖8可發現，曬衣夾掉落時間與棉線直徑有線性變化的傾向，因此實驗假說「棉線直徑越大，曬衣夾的掉落時間越長」可以成立。

 
※參考資料

1.許良榮（2016）。啄木鳥。玩出創意：120個創新科學遊戲（12-13頁）。台北：五南圖書公司。

2.王慈涵、魏靖云、邱家琪、吳家薇（2001）。滑桿高手--啄木鳥大解密。中華民國第41屆中小學科學展覽會（國小組應用科學科）。

3.陳沛哲、陳韻如、涂喻涵、蔡晉源、許菁芸、侯云婷（2006）。啄木鳥跳跳緩降機。中華民國第46屆中小學科學展覽會（國小組生活與應用科學科）。

4. Remco Leine, Eindhoven University of Technology, The Netherlands. Nonlinear dynamics of wooden toys. http://www.dct.tue.nl/New/Leine/toys.html

5. Science toy Maker. How does the oscillating woodpecker work?https://sciencetoymaker.org/the-oscillating-woodpecker/how-does-the-oscillating-woodpecker-work/