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吸管火箭
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翰林五上第四章:力與運動 康軒五下第一章:力與運動 南一五上第四章:力與運動
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翰林:力的測量 康軒:如何知道力的大小 南一:力的測量
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80分鐘
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科學學習中心
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一、 能正確標示並繪製吸管火箭受力的三要素(作用點、方向、大小)。
二、 察覺受力會改變物體的運動狀態(由靜止到移動)與形狀(橡皮筋伸長)。
三、 理解橡皮筋的「彈性位能」與火箭「動能」的轉換關係。
四、 運用距離與時間描述速度,並驗證速度愈快,動能愈大。
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珍珠吸管、透明膠帶(電工膠帶)、雙面膠帶、尾翼紙卡、竹筷、迴紋針x4、橡皮筋、奇異筆、剪刀、尺
- 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:(屏東旭海發射場火箭試射)
(1) https://www.youtube.com/watch?v=MfezY31JZyo
(2) https://www.youtube.com/watch?v=QR0x3UTKfPI
(3) 在影片中,水火箭發射的動力是什麼?若火箭要落到指定位置,影片中控制了哪些變項?
(4) 提問學生是否有玩過彈弓、射橡皮筋或看過射箭比賽?這些活動有什麼共同點?(都需要先「拉長」某種東西)。
2. 舊課程回顧:
(1) 物體獲得力的作用後,可能會產生形狀的改變或是速度改變。
(2) 測量工具:複習尺的使用,強調讀數時視線必須與刻度尺垂直。 -
60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) 製作發射器與火箭
在竹筷上標示0cm、5cm、10cm、15cm 刻度。(刻度間隔可依需求調整)製作吸管火箭,並在尾端剪開兩個對稱缺口(作用點)。
(2) 力圖教學實踐
老師示範:在黑板畫出火箭受力圖。
(3) 定量發射實驗
分組測試:調整橡皮筋的拉伸長度,並記錄火箭飛行的距離。將火箭安裝至發射器上,火箭後端缺口卡住橡皮筋並拉至特定刻度,放開火箭後透過橡皮筋的回彈力將火箭射出。
3. 延伸探究:請先預測結果後,再進行實驗驗證。
(1) 調整發射仰角角度,比較仰角角度對火箭飛行距離的影響。
(2) 火箭飛得最遠:應如何進行火箭的調整?
每組有三次的試飛機會,取最遠距離作為表現紀錄。(學生須依據實驗所得資料,做出最佳的發射前配置,包含配重、發射仰角、尾翼調整、發射高度等)
(3) 固定發射位置,讓火箭飛進指定範圍內:應如何進行火箭的調整?每組紀錄達成任務過程所花費的測試次數,並在每次測試前記錄小組做了哪些調整,一步一步達成指定任務。(考驗同學的操作技巧與紀錄技巧,從記錄中進行各項數值的調整) -
5分鐘三、 原理說明:
1. 力的三要素:
作用點:橡皮筋與吸管缺口的接觸位置。
方向:推動火箭飛行的推力方向,亦即橡皮筋回彈的方向
大小:橡皮筋伸長量越長,彈力越大。
2. 能量轉換:當我們拉長橡皮筋時,手對橡皮筋作功,能量儲存為彈性位能。放手瞬間,彈性位能釋放轉化為吸管火箭的動能(運動的能量)。
3. 動能與速度:同一支火箭,當起始速度愈快時,其具備的動能愈大,因此能飛得更高更遠,或在撞擊時產生更大的力量。
4. 在角度實驗中,飛行的仰角越大,能讓火箭受到垂直的力量愈大,進而能飛行較高的高度,但水平動能小,所以前進的距離有所限制;相反的,仰角接近水平0度時,能獲得最大的水平位移,但因垂直的動能小,所以停留在空中的時間也較短。若要能讓火箭飛的最遠,從地面發射時,將仰角置於約45度位置為佳。從較高處發射時將仰角置於小於45度位置為佳。(不考慮空氣阻力及火箭尾翼的作用) -
10分鐘四、 問題與討論
1. 吸管火箭使用久了,效果還會與最一開始時相同嗎?
解答:由於橡皮筋會有彈性疲乏的現象,所以當我們使用時間跟次數拉長後,可能會因為彈性疲乏而使其彈力減弱,就需要更換橡皮筋。
2. 為什麼橡皮筋拉得越長,火箭飛得越遠?
解答:橡皮筋拉得越長,代表作功越多,儲存的位能越多,轉換成火箭的初速(初動能)就越快,所以能飛得更遠。
3. 在發射前,火箭是靜止的,放手後火箭開始移動,這說明了力有什麼作用?
解答:說明了力的作用可以改變物體的運動狀態(從靜止變為移動)。
4. 配重越重是不是飛行的效果越好呢?
解答:火箭需要有一定的重量,才能因慣性作用而減少飛行時空氣阻力的影響,但太重時加速度會下降,影響飛行速度和距離。
另一個重要原因:火箭移動方向和火箭頭部指向一致時阻力最小,垂直時阻力最大。因此若以飛行方向定義前後,火箭飛行時尾翼的作用就在於受風後會被拉向質量中心的後方,使火箭調整到阻力最小的飛行方向。也因此,配重位置很重要,讓質量中心越前端越好,作用在尾翼的風力「力臂」越大,火箭就能越快「轉動」調整到最佳飛行方向。
5. 如何可以獲得最遠的飛行距離呢?
解答:從地面發射時,仰角接近45度,並給予最大的彈力有機會獲得最遠飛行距離。 -
參考資料https://www.phyworld.idv.tw/BA_PHY_2B/S2_2B_1/2-3_projection_01.htm
