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齒輪比一比
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翰林六下第一章：簡單機械 康軒六下第一章：簡單機械 南一六下第一章：巧妙的施力工具
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翰林：齒輪與鍊條 康軒：還有哪些傳送動力的機械 南一：傳送動力
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40分鐘
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科學學習中心
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一、 構造辨識：能正確辨識並指認出齒輪、輪軸與鏈條等動力傳送零件。
二、 規律發現：透過實驗觀察並記錄齒輪組在「同軸」與「異軸」傳動時，轉動方向與圈數的規律。
三、 力學應用：理解齒輪組如何透過齒數比例（大帶小、小帶大）來改變速度與力量，並連結至槓桿原理。
四、 動能感知：認識運動物體具有動能，並能透過齒輪倍率理解動能的增減效果。 -
8x12底盤、100mm II軸x3、5x5孔正方框x4、60T齒輪x3、20T齒輪x3、凸輪連結鍵x3、標籤貼紙、奇異筆
- 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：
(1) 洗衣機：馬達高速轉動後，透過齒輪箱（減速機）將轉速降低，轉化為足以翻動整槽的水與衣服的強大力量。
(2) 機械時鐘與手錶：內部由秒輪、分輪、時輪等一連串齒輪組成。透過精密的齒數比例（如1：60），確保秒針轉動60圈時，分針剛好走完1圈。
(3) 展示腳踏車的變速系統，詢問學生：當鏈條移到較小的「前」齒輪時，踩踏起來的感覺會有什麼變化？又當鏈條移到較小的「後」齒輪時，踩踏起來的感覺會有什麼變化？ -
20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) 黑軸A上的黃A、紅A齒輪轉動一圈後，觀察一下各轉了幾圈？是否相同？
(2) A軸上的黃A齒輪與B軸上的紅B齒輪彼此咬合後，轉動A軸1圈後觀察紅B齒輪轉了幾圈？若改為轉動B軸1圈後黃A齒輪會轉幾圈？
(3) A軸上的黃A齒輪轉動方向與紅B齒輪轉動方向是否相同呢？
(4) 同（2）時黃A齒輪帶動紅B齒輪（大帶小）與紅B齒輪帶動黃A齒輪（小帶大）時哪一個可能是省力呢？
(5) 以手在A軸上轉一圈後黃B齒輪也帶動了紅C齒輪，黃C齒輪會轉幾圈呢？若是反過來在C軸的黃C齒輪轉1圈後請問紅A齒輪會轉幾圈呢？
3. 延伸探究：請先預測結果後，再進行實驗驗證。
(1) A軸以大帶小傳遞能量到B軸後，再以大帶小的方式傳遞能量到C軸時，黃C齒輪轉動的圈數變了幾倍？與大小齒輪數目有關嗎？
(2) 如果大小齒輪的數目比是100：20時，大齒輪轉1圈後小齒輪應該會轉幾圈呢？
(3) 如果都是以大齒輪帶動小齒輪的方式（相互咬合，每階層的齒數比均為3:1），由A齒輪傳遞能量依序到B、C、D齒輪時，想想看，A齒輪轉一圈，D齒輪會轉幾圈？ -
5分鐘三、 原理說明：
1. 同軸原理：軸心相同，大小齒輪轉動360度所經過的時間與角度一致，轉動圈數必相同。
2. 齒數比例（咬合原理）：60齒大齒輪帶動20齒小齒輪（齒數比3:1），大齒輪每走1齒，小齒輪也走1齒。當大齒輪走完60齒（1圈）時，帶動小齒輪走3圈（20齒轉三圈20齒/圈 x 3圈=60齒）。
3. 轉動方向：同軸齒輪轉動方向相同，相互咬合的齒輪轉動方向相反。
4. 能量守恆：在簡單機械中，「功」是守恆的（不計摩擦力的話）。你不可能同時省力又省時：
大齒輪帶小齒輪（加速模式）：省時、費力。適合用在需要高速度的場合（如腳踏車平路衝刺、時鐘的秒針）。
小齒輪帶大齒輪（減速模式）：省力、費時。適合用在需要大力量的場合（如腳踏車爬坡、吊車起重機）。 -
10分鐘四、 問題與討論
1. 為什麼在同一根黑軸上的大小齒輪，轉動圈數一定會相同？
解答：因為它們固定在同一個軸上，轉動時是整根軸帶動零件。只要軸轉360度，上面的零件不論大小都轉360度。
2. 為什麼兩個互相咬合的齒輪轉動方向會相反？
解答：咬合處移動方向一致（例如向下）導致兩個齒輪轉向相反（分別為順時針和逆時針）。
3. 在腳踏車爬坡時（需要省力），你會希望後輪的齒輪變大還是變小？
解答：爬坡需要省力。小齒輪帶動大齒輪雖然速度變慢（轉動圈數少），但能產生較大的扭力（費時但能省力以推動重量）。
4. 如果我們有11個齒輪（A-B-C-D...-K），全都以 2:1 的比例「大帶小」傳動10次。這樣A齒輪轉動1圈，K齒輪轉動幾圈？是否就能創造多好幾倍的能量？
解答：K齒輪轉動2的10次方=1024圈。雖然轉速變快了，但是A齒輪的扭力需要達K齒輪的1024倍，如果考慮摩擦力，這個倍數還會更大。包括齒輪在內的機械都無法憑空產生更多的能量。
5. 引導思考：為什麼汽車引擎或電扇馬達能持續產生動能？能量是憑空產生？還是由其它能量轉換而來？---電力提供能量