8. 下坡玩偶

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※實作現象

把塑膠片剪成玩偶形，將頭、尾和四肢摺好後，於玩偶身上固定一支兩端黏上黏土的竹籤，如圖1。然後將玩偶放在斜坡上，手放開玩偶。就可以看到玩偶沿著斜坡一步一步走下坡之後停住，這樣就成功下坡囉！如圖2。

 

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※原理：

本實驗利用了竹籤（或粗鐵絲）產生的擺動，讓左腳、右腳交替的翹起來與著地，並進一步造成步行下坡的現象。本實驗的原理如圖3所示（藍色、綠色分別代表左邊、右邊的腳），說明如下：

1.如圖3（1），一開始讓竹籤（黏土）偏向藍色那一邊，此時綠色的雙腳懸空直立，而藍色的雙腳著地，且因為重量往下壓而略為彎曲（具彈性的塑膠片材質）。

2.當竹籤（黏土）往綠色那一邊落下之後，綠色的雙腳著地，如圖3（2）；而藍色的雙腳懸空，使得略為彎曲的雙腳，因為彈力回復伸直而「往前跨出一步」（藍色箭頭）。

3.由於竹籤（黏土）偏向綠色那一邊，使得綠色的雙腳因為重量而略為彎曲，如圖3（3）；同時竹籤（黏土）往藍色那一邊落下。

4.藍色的雙腳著地，如圖3（4）；而綠色的雙腳懸空，略為彎曲的雙腳，因為彈力回復伸直而「往前跨出一步」（綠色箭頭）。

以上過程反覆進行，就造成了振動下坡的現象。

 
※探究問題

本實作可進行的探究問題，建議如下：

（一）、探究問題1：玩偶腳的長度不同，是否會影響成功下坡？

假說：玩偶的腳越長，越容易成功下坡。

理由：玩偶的腳越長，腳程越大，所以越容易下坡。

（二）、探究問題2：斜坡的坡度不同，是否會影響玩偶成功下坡？

假說：斜坡的坡度越大，玩偶越容易成功步行下坡。

理由：斜坡的坡度越大，玩偶往下運動傾向越大，因此越容易步行下坡。

（三）、探究問題3：黏土的重量不同，是否會影響玩偶成功下坡？

假說：黏土重量越重，下坡玩偶越容易成功步行下坡。

理由：由於黏土越重越能使竹籤產生搖晃，因此玩偶越容易成功步行下坡。

（四）、探究問題4：竹籤的長短不同，是否會影響玩偶成功下坡？

假說：竹籤越長，下坡玩偶越容易成功步行下坡。

理由：玩偶在下坡過程，除了必須左右晃動，同時又要保持平衡，因此竹籤越長越有助於成功下坡。

※實驗設計

器材：玩偶版型、透明片（厚度約0.25毫米）、膠帶、竹籤、油黏土、電子秤、珍珠板、量角器、奇異筆（註：含剪刀、尺等等）。

操作步驟

1.將圖4影印為高度6公分的圖，貼於塑膠片上（厚度0.25毫米），並沿圖形剪下。

2.把剪好的塑膠片頭往上摺，四肢及尾巴往下摺。要讓四肢與身體的夾角約為100度，不可小於等於90度（如圖5）。

3.在竹籤兩端黏上黏土，再將竹籤用膠帶固定於玩偶身體中心（如圖6）。

4.在珍珠板上距離底部25公分處繪製下坡起始線，並將珍珠板一端架高，形成斜坡(坡度建議為15度)。

5.將下坡玩偶放在下坡起始線上，並將手放開，就可以看到玩偶一步一步走下坡囉！

 
※實驗結果：

以下四個探究問題，實驗用的斜坡的材質相同（長25公分），竹籤的粗細也相同，而製作下坡玩偶的透明片厚度約0.25毫米。

（一）、探究問題1：玩偶腳的長度不同，是否會影響成功下坡？

操縱變因：玩偶腳的長度（1、3、5公分）

應變變因：玩偶是否成功步行下坡

控制變因：斜坡坡度15°、黏土重量1克重、竹籤長19.6公分

 

由實驗結果發現，玩偶腳長為1公分、3公分時，都無法成功走下坡，只有腳長5公分的玩偶，可以成功的步行下坡。顯示玩偶腳的長度，會影響是否能成功下坡。因此研究假說「玩偶的腳越長，越容易成功下坡」的說法可以成立。此外，實驗過程發現腳長3公分的玩偶，只會移動大約5公分；而腳長1公分的玩偶在斜坡上則都沒有移動。

（二）、探究問題2：斜坡的坡度不同，是否會影響玩偶成功下坡？

操縱變因：斜坡的坡度（10°、15°、20°）

應變變因：玩偶是否成功步行下坡

控制變因：玩偶腳長5公分、黏土重量1克重、竹籤長19.6公分

 

由實驗結果發現，坡度10°時，玩偶不會下坡；坡度15°與20°時，玩偶都可以成功下坡。而坡度20°時，10次中有6次下坡後玩偶會往前傾倒，推測可能因為坡度較大，使得玩偶走下坡後，速度太快而失去平衡。因此研究假說「斜坡的坡度越大，玩偶越容易成功步行下坡」的說法有侷限性，要成功下坡的坡度大小有一定的範圍。

（三）、探究問題3：黏土的重量，是否會影響成功下坡？

操縱變因：黏土的重量（1、2、3克重）。

應變變因：玩偶是否成功步行下坡。

控制變因：斜坡坡度15°、玩偶腳長5公分、竹籤長19.6公分。

 

由實驗結果發現，黏土1～3克都可以成功下坡。其中黏土為1克與2克時，都可以順利下坡，並且下坡後不會傾倒。而黏土為3克時，也可以成功下坡，但10次中有6次玩偶走到斜坡底部後會往前傾倒。另一方面，實驗過程可觀察到2克、3克黏土的玩偶，下坡過程有明顯的左右搖晃情形。因此研究假說「黏土重量越重，下坡玩偶越容易成功步行下坡」的說法，並未得到驗證。

（四）、探究問題4：竹籤的長短，是否會影響成功下坡？

操縱變因：竹籤的長度（9.8、13.1、19.6公分）

應變變因：玩偶是否成功步行下坡

控制變因：斜坡坡度15°、玩偶腳長5公分、黏土重量1克重

 

實驗結果發現，竹籤長度為9.8公分以及13.1公分，玩偶下坡時只運動很短的距離（大約5公分以內），無法走完整個斜坡。而竹籤長19.6公分時，玩偶可以成功的步行下坡。雖然研究假說「竹籤越長，下坡玩偶越容易成功步行下坡」得到驗證，但是竹籤的長度只有三種，成功下坡的只有19.6公分，不宜斷言更長的竹籤也一定會成功。

※參考資料

1.許良榮（2018）。振動下坡。玩出創意5：50個魔法科學實作（22-25頁）。台北：五南圖書公司。

2. Toys from Trash. Walking the ramp. http://www.arvindguptatoys.com/toys/Walkingtheramp.html