國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

科學遊戲實驗室   回首頁   

雙株爭艷

平淡無奇的小鋼珠,也能炫麗奪目喔!

器材:鏡子、錶玻璃、滴管、鋼珠、黏土、手電筒

操作步驟與現象:

本實驗參考自英國專門販售玩具的Great Illusion網站(見參考資料1),由於可以如同颶風旋轉得很快,因此稱為「颶風球(hurricane balls)」,售價約24英鎊(約台幣1,200元)。版主自行購買材料製作,製作非常簡易,成本只需台幣約100元。製作過程與操作現象如下:

1.裝置如圖一,包含鏡子、錶玻璃、鋼珠以及黏土。首先取二顆直徑約1.0公分的鋼珠,以快乾膠黏貼固定在一起,再放置在錶玻璃上面。錶玻璃下方放置一面鏡子,為了避免錶玻璃晃動,取三塊黏土放在錶玻璃與鏡子之間(如圖一的黃色黏土)。完成後,就可以準備玩囉!

2.先用手轉動鋼珠,再以滴管用力吹氣,以推動鋼珠繼續旋轉。吹氣時,將滴管對著二顆鋼珠的左邊或右邊,就能使鋼珠很快速的一直旋轉。

3.鋼珠旋轉之後,以手電筒照射鋼珠,就可以看到光環(如圖二~五),而且隨著不同的照射角度以及旋轉速度,會分別產生一圈到四圈的光環喔!

4.如果以二道不同顏色光的手電筒照射,可以形成更炫麗的光環(如圖六、圖七)。

觀看實驗影片(6.3M)

原理:

本實驗的原理包括了「光的反射」、「視覺暫留」以及「角動量守恆(conservation of angular momentum)」。首先,當鋼珠的旋轉速度較慢,而手電筒水平入射(如圖八),光線照射到鋼珠而有亮亮的一點,同時由於鋼珠在旋轉,視覺暫留的結果就看到一圈的光環。當手電筒的角度變大時(如圖九),鋼珠上除了有手電筒光線照射的亮點,也包括了經過鏡子反射光線的亮點(如圖九的虛線),因此就會看到二個圈圈的光環。

至於四個光環的產生,必須在鋼珠的旋轉速度夠快的時候才會發生。如圖十,當鋼珠的旋轉速度很快時,二個鋼珠不是「水平並排」的旋轉,而是「站立旋轉」。因此上面與下面的鋼珠都會有二個光點,這二個光點如同圖九,分別包括光線直接照射以及鏡子反射所造成的亮點

為什麼鋼珠的旋轉速度很快時,二個鋼珠會「站立旋轉」呢?原因是「角動量守恆」(角動量=質量x速度x旋轉半徑)。例如溜冰選手在旋轉時,如果手臂縮起來,旋轉速度會變大,這是因為手臂縮起來時的旋轉半徑比較小,旋轉速度就會增加了。換言之,旋轉速度增加時,旋轉半徑就越小。同理,如圖十一,當二個鋼珠旋轉速度較慢時,旋轉半徑R較大;而旋轉速度增加時,鋼珠站立旋轉,旋轉半徑就縮小為r。

 

叮嚀的話:

1.鋼珠下面墊錶玻璃,主要是因為錶玻璃是凹面的,可以避免吹動鋼珠旋轉時,鋼珠到處亂跑而維持在一定區域。建議使用大一點的錶玻璃,曲率較小,比較不會影響鋼珠順暢的旋轉。

2.吹動鋼珠的滴管,滴管口如果口徑太小,出風口也就變小,會不容易吹動鋼珠,建議使用口徑略大一點的滴管。

3.手電筒使用口袋型或是手機的手電筒功能即可,大的手電筒太亮,觀察效果反而較差。而不同顏色的光,以有色玻璃紙覆蓋手電筒,或者以彩色筆塗抹手電筒鏡頭,就可產生不同顏色的光。

4.教學上可以指導學生實驗與討論以下問題:(1)實驗如何使鋼珠分別產生一到四個光環?而且與手電筒角度、鋼珠旋轉速度有何關係?(2)如果底部不使用鏡子,實驗結果有何差別?(3)如果黏貼三個鋼珠(包括直線形、三角形),實驗結果如何?產生的光環有何不同?

參考資料:

1.Grand Illusions Ltdhttp://www.grand-illusions.com/acatalog/Hurricane_Balls.html

2.科學月刊: http://scimonth.blogspot.tw/2014/01/blog-post_4662.html