國立台中教育大學 NTCU 科學教育與應用學系 |
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一起見證火柴棒的神奇力量! |
※器材:寶特瓶、火柴棒、棉線 |
※操作步驟與現象: |
火柴棒給人的印象很脆弱,輕輕一折就會斷掉,但是本實驗呈現了火柴棒的神奇力量,可以輕鬆吊起五瓶裝水的寶特瓶。實驗操作過程如下: 1.選取底部有條狀凹痕的寶特瓶,通常有六道凹痕,如圖一左上角放大圖,這些凹痕的寬度和火柴棒相當,寶特瓶裝滿水就可以確實的壓住火柴棒。 2.將薄木板凸出桌緣,火柴棒放在木板邊緣凸出一半,再用裝滿水的寶特瓶壓在火柴棒上,然後將另一瓶寶特瓶(裝半瓶水)綁上棉線,再掛在火.柴棒上,如圖一左下放大圖。注意:掛上棉線時,棉線不要靠近火柴頭,要儘量緊貼在木板邊緣。 3.取第二根火柴棒,橫向放在第一根火柴棒下方,讓棉線夾緊,如圖二。 4.取第三根火柴棒,直立斜向的插入前二根火柴棒之間,如圖三。此步驟比較困難,因為前二根火柴棒的距離如果太遠,第三根火柴棒會掉下來。但是如果太近,第三根火柴棒又插不進去。所以必須調整距離,使第三根火柴棒可以剛好卡住,不會掉下來。建議兩個人一起操作調整,比較容易完成。
5.完成後,將木板上方的寶特瓶輕輕拿開,可以發現三根火棒支撐了垂吊的裝水寶特瓶,不會掉下來喔!如圖四。 6.將另一瓶裝水的寶特瓶,慢慢的掛在垂吊的寶特瓶上,總計掛了二瓶,火柴棒還是穩穩的保持平衡!如圖五。 7.陸續掛上更多裝水寶特瓶,火柴棒還是可以保持平衡,如圖六,一直到超過五瓶寶特瓶,火柴棒才由棉線脫落掉下來。
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※原理 |
本實驗用三根火柴棒可以懸掛很重的重量,並保持平衡,主要牽涉到二個關鍵因素。第一個因素是:作用力在支點上,使「力臂」接近於零,火柴棒就可以支撐重物。例如圖七的實驗,在二片木板之間的縫隙放一根火柴棒,可以懸吊超過五瓶裝水的寶特瓶,火柴棒不會斷裂!但是如果木板之間的縫隙變大,火柴棒就很容易斷裂無法支撐。 這是為什麼在實驗一開始,寶特瓶掛在火柴棒時,棉線要緊貼木板邊緣的道理。原理如圖八,重量(紅色虛線箭頭)經由棉線施加在火柴棒的作用力,與支點(藍色三角形)幾乎為同一點,所以火柴棒並不會斷裂。 第二個關鍵因素是三根火柴棒為何可以保持平衡,不會掉下來?關鍵結構是火柴棒C,參見圖八,雖然火柴棒A有往下掉落的傾向,但是由於火柴棒C被兩邊的棉線緊緊夾住(寶特瓶往下的重量,使棉線有夾緊火柴棒C的張力,如圖八紅色箭頭)。無法移動的火柴棒C使火柴棒B無法往下移動,連帶的也抵抗了火柴棒A往下的運動。 本實驗在操作過程,如果無法掛很多瓶寶特瓶,經常是因為火柴棒C從棉線滑落,而不是因為火柴棒斷裂!
為了避免火柴棒C由棉線脫落,可以在火柴棒C的尾端,刻出一細的凹痕,如圖九,除了更容易操作,也可避免棉線滑掉,使乘載的重量可以更大。請留意圖九火柴棒C的凹痕,必須刻在火柴棒正方形底部的對角線,如此可使火柴棒B的底部與火柴棒C的接觸面積更大。 另一方面,懸吊的棉線長度不要太長,原因如圖十。圖十中左邊的棉線長度比較短,夾角為θ1,而右邊長度較長的棉線,夾角為θ2,由於θ1>θ2,因此左邊比較短的棉線對於火柴棒C的施力比較大,更有利於夾緊。
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※叮嚀的話: |
1.進行本實驗的桌子,桌緣要凸出來,而且要選用桌緣是直角型的,不能是圓弧形的,除了可以避免火柴棒滑落,也可以使重量的施力點與支點在同一個點上(參見圖八)。 2.棉線建議選用細一點的,不要使用太粗的棉線,細的綿線可以降低火柴棒C脫落的機率。 3.懸掛的第一個寶特瓶,建議裝半瓶水即可,以利於操作。後續掛上去的寶特瓶才裝滿水。 4.在教學上,可以指導學生實驗與討論以下問題:(1)為什麼火柴棒很容易折斷,但是在本實驗卻可以承受相當大的重量?(2)為什麼圖十中,棉線長度較短的(左邊)比較有利於夾緊火柴棒C?國中以上學生,可分析作用力(棉線的張力)在火柴棒的分力之大小的差別。(3)進行全班分組競賽,比賽哪一組的火柴棒可以乘載最多瓶?而國小學生可用一小段的竹籤代替火柴棒,以降低難度。(4)一直掛上寶特瓶,到最後整個掉落之後,檢查一下:火柴棒是斷掉了?還是只是脫落?如果是斷掉,是哪一根火柴棒斷了呢?(三根火柴棒事先分別做記號) |
※參考資料: |
YouTube影片:(1) https://www.youtube.com/watch?v=QEPdGxTjqXc |