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輪軸的特性
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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：輪軸 康軒：輪軸與滑輪如何便利生活 南一：傳滑輪與輪軸
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40分鐘
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科學學習中心
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一、 認識構造：辨識輪軸的基本構造，區分「輪」與「軸」的相對位置。
二、 力學感知：透過實驗察覺施力在「輪」或「軸」上時，施力大小與抗力之間的變化規律。
三、 規律歸納：理解運用輪軸轉動時，繩子的移動距離與輪軸半徑成正比。
四、 理論連結：認識輪軸是槓桿原理的應用，並能區分省力與費力的操作模式。 -
8x12底盤、100mm II軸、5x5孔正方框x2、60T齒輪x3、20T齒輪
大迴紋針、小迴紋針、M10螺帽x4、30公分棉線x2、50公分棉線x2、萬能黏土、重物 -
一、 將材料按序排列好，方便快速組裝。
二、 理解黑軸的長短邊的方向、齒輪組合方式與完成後物件的穩固性。
三、 安裝齒輪前請先以黑筆標記好齒輪的起始位置方便觀察其他齒輪轉動後的位置。
- 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) 削鉛筆機、螺絲起子與轉喇叭鎖門把都是輪軸型態的工具，設計的目的就是方便我們省力操作使用的。
(2) 其原理是輪與軸的力臂長短不一樣，所以可用輪來帶動軸工作或是以 軸來帶動輪的方式來完成工作，達到省力或是省時的目的。
2. 舊課程回顧
(1) 槓桿平衡時，「施力 x 施力臂 = 抗力 x 抗力臂」。
(2) 輪軸可以當成槓桿原理的運用，軸心當成支點，輪、軸的半徑即為施力臂和抗力臂。 -
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：
輪軸的特性（一）：
(1) 實驗一中施力在黑軸上轉動1圈或是施力在黃齒輪上轉1圈，哪一 個較費力？哪一個較省力呢？
(2) 實驗二當輪軸轉動後，棉線被捲拉上來，請觀察哪一條棉線會變得較短呢？原因是甚麼？
輪軸的特性（二）：
(1) 依指示在黃齒輪的左側和紅齒輪的右側綁上棉線，兩條棉線拉平後需保持在同一條水平線上，打結處在均在齒輪外側（維持力臂長度等於齒輪半徑），讓棉線能剛好貼合齒輪側邊而下垂。
(2) 黃齒輪與紅齒輪綁的棉繩下方所掛的迴紋針是否相同？為什麼要有大小的差異呢？（棉線重量相同，力臂長度不同，會使兩端的力矩不平衡，此時需配合掛上大小不同的迴紋針進行調整。）
(3) 完成配置後，檢查是否能平衡，可以稍微調整一下棉線打結處的位置（向齒輪內側或外側移動），即為調整力臂長度。
(4) 在兩端配置完成螺帽後，需將兩個齒輪的棉線打結處轉回軸心水平位置，才能放開固定齒輪的手，觀察輪軸的變化。
3. 延伸探究：請先預測結果後，再進行實驗驗證。
(1) 比例計算： 若黃齒輪半徑是黑軸的5倍，則轉一圈時，黃齒輪提升重物的速度是黑軸的幾倍？ -
5分鐘三、 原理說明：
1. 實驗使用的黃、紅齒輪被固定在同一轉軸上就可視為『輪軸』，紅、黃齒輪數的比為60：20＝3：1＝齒輪半徑比＝施力臂與抗力臂的比。
2. 槓桿運用：輪軸可視為一個以圓心為支點，半徑為力臂的連續轉動槓桿。
3. 當槓桿平衡時，施力 x 施力臂 = 抗力 x 抗力臂。
4. 施力在輪：施力臂（輪半徑）大於抗力臂（軸半徑），故為省力、費時（位移大）的設計。
5. 施力在軸：施力臂（軸半徑）小於抗力臂（輪半徑），故為費力、省時（位移小）的設計。
6. 輪軸的特性（一）實驗二中，棉線移動距離與輪軸半徑成「正比」。半徑越大圓周越長，轉一圈時棉線繞在圓周上，所以縮短的距離等於圓周長。 -
10分鐘四、 問題與討論
1. 黃、紅齒輪的半徑比是否也是齒輪數比？是否也是左右的力臂呢？
解答：齒輪數的比=圓周長的比=半徑比=力臂比。
2. 黃齒輪與紅齒輪綁的棉繩下方所掛的迴紋針是否相同？為什麼要一大一小呢？
解答：棉線是有重量的，因為兩端的力臂長度不同，造成兩端的力矩不平衡，此時就必須掛上大小不同的迴紋針來調整回平衡狀態。
3. 輪與軸轉動的方向是否相同？它們的轉速（圈數）是否相同？
解答：相同，轉動圈數也相同
4. 螺絲起子應用，手握手把處（輪）轉動螺絲（軸），這是省力還是費力的應用？
解答：省力
5. 水龍頭開關是施力在輪還是軸？這是省力還是費力的應用？
解答：輪，省力