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紙蜻蜓與手拉風車
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翰林三上第三章:風與空氣 康軒三上第三章:奇妙的空氣 南一三上第二章:空氣和水
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翰林:空氣、風與生活 康軒:空氣還有什麼特性 南一:空氣和水的特性
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80分鐘(本案適用的課程主題較多,教師可擇選部分單元使用)
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科學學習中心
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一、 透過竹蜻蜓的操作,體會旋轉方向、氣流方向及飛行方向的關係。
二、 觀察紙蜻蜓下落過程的受力情形,理解重力與空氣推力(氣流)如何影響下落。
三、 理解「手拉動能」如何透過棉線傳遞,並藉由與空氣的交互作用轉化為「旋轉動能」,並觀察移動速度與轉速的關係。
四、 認識「轉子」如何解決繩索纏繞問題,維持動力的持續傳輸。
五、 利用手拉風車進行風向與風力強度的觀測。 -
紙蜻蜓紙卡、色紙(5cm x 10cm)、剪刀、釘書機
- 時間 教學活動流程 教學資源
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5分鐘一、 生活連結與預測
1. 引起動機與生活連結:(各式各樣會飛的種子)
2. 拿出龍腦香或桃花心木種子
(1) 這些種子有哪些特別的構造呢?這些種子飛行的目的是什麼?
(2) 小組討論:是什麼力量讓種子可以在空中旋轉呢?
3. 舊課程回顧:
(1) 種子的作用是繁衍下一代,透過風力傳播可以使子代被傳向更遠的地方。
(2) 空氣流動時會產生風,風的力量可以推動風車旋轉。 -
55分鐘二、 操作與觀察
1. 依據操作步驟安裝實驗裝置後進行實驗。
2. 教學提示:
(1) 竹蜻蜓的秘密
A. 不放飛實驗:將竹蜻蜓上方朝向並靠近臉部,分別進行逆時針轉與順時針轉。
觀察:轉法會感覺到風吹向臉部(向上吹)?哪種是吹向手部(向下吹)?
B. 放飛實驗:實際放飛竹蜻蜓。
觀察:配合剛才的風向體驗,哪種竹蜻蜓的轉向及風向會讓竹蜻蜓向上飛?
C. 原理:利用「作用力與反作用力」解釋。當翼面斜度撥動空氣向下流動時(作用力),空氣也會給予翼面一個向上的反作用力(升力)
(2) 紙蜻蜓探究
A. 製作紙蜻蜓,並設定變因進行實驗(如:用迴紋針增加重量、改變翅膀剪開長度)。請注意兩端翅膀的彎折方向,才能順利旋轉。
B. 引發思考:紙蜻蜓下降時是「翅膀撞向靜止空氣」造成相對的氣流,這跟用力旋轉竹蜻蜓「翼面撥動空氣」造成氣流的來源雖然不一樣,但是「作用力和反作用力」的道理是一樣的。
(3) 手拉風車動力系統
A. 組裝手拉風車(紙蜻蜓+短棉線+轉子+長棉線),在尚未加裝轉子前,先直接以短棉線拉動紙蜻蜓,觀察其轉動的行為,完成後再進行後續組裝。
B. 紙蜻蜓的橫向運動觀察:拉著長棉線左右來回移動或直線跑動(如放風箏),也可以拉著綿線直接在頭上快速繞圈。
C. 實驗觀察:移動速度的快慢,如何影響紙蜻蜓的轉速?若拉著綿線快速繞圈,還會有甚麼現象發生??
D. 討論轉子的作用,觀察其如何防止棉線因紙蜻蜓旋轉而打結纏繞。
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延伸探究請先預測結果後,再進行實驗驗證。
(1) 若是改變翅膀彎折方向,紙蜻蜓會有哪些變化呢?
如何才會讓紙蜻蜓朝順時針方向旋轉?
如何才會讓紙蜻蜓朝逆時針方向旋轉?
(2) 若是調整翅膀剪開的長度,對紙蜻蜓會有什麼影響呢?
影響的是:旋轉速度?落下時間?轉動方向?
(3) 學生能透過實驗結果,達成老師給予的指定任務:a.下落時間長短控制、b.在指定位置(範圍)降落。
(4) 熱對流觀測:
A. 於紙蜻蜓正上方中央用小圖釘由下向上穿過,上方(針尖)利用小磁鐵吸附住。點燃蠟燭,手指抓住小磁鐵上方,避免影響紙蜻蜓轉動,將紙蜻蜓置於火焰正上方,保持距離避免被火點燃,紙蜻蜓便會轉動起來。可上下移動調整紙蜻蜓位置,找到轉動較順暢的位置。
B. 在蠟燭和紙蜻蜓中間置入圓筒(如紙捲筒,須避免被點燃),演示煙囪效應,與實驗a(未加圓筒前)比較紙蜻蜓可轉動的距離高低和轉動效果。
C. 引發思考:熱對流實驗中能量轉換的過程為何?從「垂直降落轉動」、「人力拉動」到「熱對流驅動」,理解能量轉換的多種可能。 -
5分鐘三、 原理說明:
1. 作用力與反作用力:誰在推誰?
當施力使竹蜻蜓的斜面翅膀逆時針旋轉撞擊空氣時,它會強迫空氣「往下跑」(作用力,產生氣流),這時候空氣也會給翅膀一個「向上推」的力量(反作用力),這就是讓竹蜻蜓飛起來的「升力」。
2. 力的平衡:穩定降落的秘密
(1) 紙蜻蜓下墜時,「重力」想把它加速往下拉,但傾斜的翅膀撞擊空氣而旋轉,同時產生的「向上空氣推力」想把它往上托減少加速度。當下降速度越來越快,向上托的力也會越來越大。當這兩個力達成平衡時,紙蜻蜓就達到終端速度,不再加速,能等速地旋轉降落。
(2) 若增加底部配重(例如加迴紋針),可因慣性變大、質心降低,飛行方向穩定且不易受到水平氣流影響而改變下落的軌跡,但重力增加使下落速度和轉速都會變大。
3. 力與運動、能量轉換:動能去哪了?
(1) 紙蜻蜓的轉動下落過程:紙蜻蜓從高處掉下來的過程中,原先具備的位能轉換成「旋轉的動能」及與空氣摩擦產生熱能消散於環境中。紙蜻蜓墜落至地面最後靜止時,動能也全部變成熱能消散。
(2) 手拉風車水平拉動過程:當手拉的「作功」透過棉線拉動風車(紙蜻蜓)產生移動動能,風車撞擊空氣旋轉時也產生「旋轉動能」。拉得越快(或手拉跑得越快),提供的功率越大,風車轉速也就越快。(註:水平等速移動時拉力的功率和熱散失的功率相等)
4. 熱對流:空氣受熱後會膨脹變輕而上升,將熱能轉換為氣體流動的動能。蠟燭加熱了下方的空氣,形成一股「上升氣流」。這股向上流動的風撞擊到紙蜻蜓的斜面翅膀,加上翅膀兩邊傾斜方向的設計,就提供翅膀力矩讓它轉動起來。
5. 翅膀加長會加大受力面積,增加空氣阻力,使飛行穩定(但須考量質心位置是否改變,此點更重要)但旋轉速度變慢。改變翅膀傾斜方向便改變翅膀受空氣阻力(推力)的方向,紙蜻蜓會改變旋轉方向。
6. 將手拉風車固定於戶外受風或透過不同方法製造較強而穩定的氣流來吹動,可使手拉風車顯示風向與風速(轉動速度或飛起的高度會有變化)。
7. 轉子的功用:在風車(紙蜻蜓)持續轉動的過程中,轉子可讓風車自由旋轉而不會扭轉棉線,避免因棉線紐繞打結而轉動不順暢。 -
10分鐘四、 問題與討論
1. 為什麼竹蜻蜓一定要用「逆時針(向前推)」轉才會向上飛?順時針不行嗎?
解答:逆時針轉動時,斜面剛好能把空氣「往下撥」,產生的反作用力才會「向上」;如果順時針轉,風會向上吹,反作用力會把蜻蜓更用力地往下壓。但是如果在製作時讓竹蜻蜓兩邊翅膀的傾斜方向都和原設計相反,那麼結果也會相反。
2. 在手拉風車實驗中,為什麼要加一個「轉子」?沒有它會發生什麼事?
解答:轉子是一個能自由轉動的關節。因為紙蜻蜓轉動很快,如果沒有轉子,棉線會跟著扭轉、打結,讓紙蜻蜓轉不動。
3. 如果今天在操場手持手拉風車,發現手拉風車被風吹偏向東邊且轉得非常快,代表什麼?
解答:代表現在刮著強大的「西風」。風車偏向東邊顯示了下風處的方向(風向定義為風來的方向),轉得快則顯示了風力很強。
4. 配重越重是否飛行的效果愈好呢?
解答:配重可以增加本身的慣性質量,使飛行穩定,但配重若過重,會讓紙蜻蜓一下子就墜落了。
5. 翅膀為什麼不能太大片?
解答:翅膀太大會導致空氣阻力過大,進而影響飛行的穩定度,所以葉片長度得適中調整,若想轉動慢點可以設計較大片,想轉快一點可將葉片縮小。
