橡皮筋動力車.doc

嘉義市第27屆中小學科學展覽會作品說明書類 別：科別： 物理科組別： 國小組作品名稱： 神奇的橡皮筋動力車關 鍵 詞：光碟飛輪、橡皮筋、摩擦力（最多三個）編 號：07製作說明：1.說明書封面僅寫類別、科別、組別、作品名稱及關鍵詞。2.編號由國立臺灣科學教育館統一編列。3.封面編排由參展作者自行設計。摘要利用橡皮筋的彈力製作各式橡皮筋動力車，發現其中以光碟飛輪的速度最快，穩定性最高；調整橡皮筋動力車的重量、橡皮筋數目及扭轉圈數、珠孔大小、可以改善其速度和穩定度。以一條橡皮筋為動力的橡皮筋動力車較兩條以上速度快，而達到最高速度所需扭轉的圈數較多；當橡皮筋扭轉到八十至一百圈時速度最快；單邊使用一片光碟當作輪胎的橡皮筋動力車跑得最快；細且長的吸管能使橡皮筋動力車速度加快；而輪胎直徑較大的光碟飛輪跑得比較快；在磨石子地板上行駛的橡皮筋動力車跑得比木質地板或水泥地快。壹、 研究動機：自然課上到力與運動的單元，學到物體的彈性，老師指導我們利用橡皮筋的彈性做為動力，製作橡皮筋動力車，製作完成後，在教室裡進行初賽，在各班選出四臺跑得最快的動力車，利用時間在校園裡進行決賽，大家無不絞盡腦汁，想把自己的橡皮筋動力車改良的又快又穩。決賽那天，大家使用的橡皮筋數目、珠子等都不同，各展奇招，比賽的時候時間緊迫，有的橡皮筋動力車卡住，一動也不動，還有的原地打轉，真讓人著急，這勾起我們對橡皮筋動力車的好奇心，於是進行一系列的實驗，看看什麼樣的橡皮筋動力車跑得最快。貳、 研究目的：一、 了解各式橡皮筋動力車的速度與穩定性及摩擦力。二、 了解改良式橡皮筋動力車的運動情形。三、 了解橡皮筋數目與運動情形的關係。四、 了解橡皮筋轉動圈數與運動情形的關係。五、 了解輪胎寬度與運動情形的關係。六、 了解吸管粗細與運動情形的關係。七、 了解吸管長度與運動情形的關係。八、 了解光碟直徑大小與運動情形的關係。九、 了解橡皮筋動力車在不同的平面上運行的狀況及摩擦力。參、 研究設備器材： 吸管（粗吸管12、細吸管7mm） 橡皮筋 光碟片 漆包線 牙膏盒 泡棉輪胎 有孔珠子 雙面膠 膠帶 剪刀 牙籤 底片盒 紙杯 圖釘 皮尺 碼錶 直尺 數位相機 電子秤 彈簧秤肆、 研究方法：一、各種車種對運行速度、穩定度及摩擦力的影響實驗A：製作各式橡皮筋動力車 我們總共做了三種車身，分別是烏龜車、光碟飛輪、泡棉輪胎車。 圖一：烏龜車照片圖二: 烏龜車透視圖圖三：光碟飛輪照片圖四:光碟飛輪透視圖圖五：泡棉輪胎車照片烏龜車作法：1.將軟片盒的盒蓋和盒底中央各鑽一個洞。2.將橡皮筋依序穿入盒底、盒身、盒蓋及珠子。3.最後套上吸管，烏龜車即完成。光碟飛輪：1.將紙杯底部鑽洞。2.以橡皮筋依序穿過光碟、紙杯，再穿過另一片光碟及珠子。3.其中一端用吸管穿過橡皮筋，另一端以迴紋針固定。泡棉輪胎車：1.與光碟飛輪作法一樣，將輪胎改成泡棉輪胎，以吸管代替紙杯。2.再加裝一組無動力輪胎。圖六：車子秤重實驗B：三種車子的運動情形1.三種車子秤重。2.以碼錶測量橡皮筋動力車跑完三格地板（314.4公分）所需要的時間。3.測量三種橡皮筋動力車跑完全程時，偏移原來的行進方向的距離。圖七：摩擦力實驗。實驗C：摩擦力的測量1.以彈簧秤連接所要測量的橡皮筋動力車。2.測量橡皮筋動力車剛移動時彈簧秤的刻度。二、橡皮筋動力車的改良製作各式橡皮筋動力車時，發現許多問題，我們想到一些辦 法來克服。（一）探討橡皮筋動力車完全不動的原因。 1.假設珠子陷進泡棉輪胎裡，造成橡皮筋動力車動不了。【克服方法】：調整珠子的位置，使其與泡棉輪胎分開。2.假設珠孔太大，無法對扭轉的橡皮筋產生一個力的作用。【克服方法】：改用珠孔小一點的珠子。（二）探討車子不能直線行駛的原因。1.假設光碟沒有黏牢，使光碟在行駛時左右搖晃。【克服方法】：用膠帶將光碟和紙杯黏牢。2.假設膠帶黏到光碟邊緣，使車身偏移。【克服方法】：黏膠帶時注意，不要黏到光碟邊緣。（三）探討車子原地打轉的原因。 1. 假設橡皮筋動力車重量太輕，使其行駛時在原地打轉。【克服方法】：在橡皮筋動力車加裝珠子，增加重量。 2. 假設橡皮筋扭轉圈數太多，使其在行駛時原地打轉。【克服方法】：減少橡皮筋扭轉圈數。 3. 假設橡皮筋數目太多，使其在行駛時原地打轉。【克服方法】：將橡皮筋數目由4條減至3條、2條、1條。（四）製作雙動力橡皮筋動力車，測試其運動情形。 將泡棉輪胎車多增加一組有動力的輪胎，形成雙動力橡皮筋動力車。三、橡皮筋數目與運動情形。1.分別使用1條、2條、3條和4條橡皮筋製作光碟飛輪。2.將橡皮筋分別扭轉100圈和30圈。3.觀察、測量其運動情形及到達終點所需時間。四、橡皮筋扭轉圈數與運動情形。1.以一條橡皮筋製作光碟飛輪，控制橡皮筋扭轉圈數分別為20圈、40圈、60圈、80圈、100圈和120圈。2.觀察、測量其運動情形及到達終點所需時間。五、輪胎寬度與運動情形。1.單邊分別以1片、2片和3片光碟片為輪胎，製作光碟飛輪。2.光碟飛輪秤重。3.觀察、測量其運動情形及到達終點所需時間。（橡皮筋扭轉100圈）4.以彈簧秤測量摩擦力。六、吸管粗細與運動情形。1.分別以直徑7和12的吸管，製作光碟飛輪的扭轉軸。2.觀察、測量其運動情形及到達終點所需時間。（橡皮筋扭轉100圈）圖八:由左而右吸管長度依序為10、15、20 cm七、吸管長度與運動情形。1.分別以長度為10、長15和長20的吸管，製作光碟飛輪的扭轉軸。2.觀察、測量其運動情形及到達終點所需時間。（橡皮筋扭轉100圈）圖九: 不同直徑大小的光碟飛輪八、光碟直徑大小與運動情形。1.分別以直徑12和8的光碟，製作光碟飛輪的輪胎。2.觀察、測量其運動情形及到達終點所需時間。（橡皮筋扭轉100圈）九、不同材質平面的運行狀況1.以12 cm的光碟、直徑7mm，20cm長的吸管製作光碟飛輪。2.測試其在木質地板、水泥地、磨石子地板、磨石子地板加水等不同材質平面上的運行情況及到達終點所需時間。（橡皮筋扭轉100圈）3.以彈簧秤測量摩擦力。伍、研究結果與討論：一、車子種類與運行速度、穩定度的關係結果：三種車種速度及穩定度關係表一：車種的重量及速度差異數據為到達目的地所需時間（秒）車種光碟飛輪烏龜車泡棉輪胎車重量（克）37.8824.4628.89第1次2.242.783.35第2次2.242.453.43第3次2.452.843.57平均2.382.663.45 表二：各式車種穩定度關係 數據為偏離進方向的距離（公分） 圖十：各式車種重量、速度及穩定度關係圖車種光碟飛輪烏龜車泡棉輪胎車第1次18嚴重偏轉第2次17嚴重偏轉第3次512嚴重偏轉平均2.339嚴重偏轉（一）由表一可知，三種橡皮筋動力車的重量分別是光碟飛輪泡棉輪胎車烏龜車。（二）三種車子進行競速，行走相同的距離314.4公分，所花的時間越短，速度越快，反之則越慢。結果顯示，光碟飛輪的速度最快，烏龜車次之，泡棉輪胎車最慢。（三）偏離原行進方向距離越大，穩定度越差，由表二可知穩定度比較：光碟飛輪烏龜車泡棉輪胎車。實驗 C:摩擦力的測量（四）由於我們使用的彈簧秤精準度不夠，而三種橡皮筋動力車重量很輕，摩擦力並不大，所以測量不出來。 討論：（一）綜合實驗A、B，光碟飛輪具有速度快、穩定性高的特性，因此之後的實驗我們主要以光碟飛輪做測試、討論。（二）由表一、二可知車子重量越大，穩定度越高。（三）科學實驗測量需有合宜的器材，這次由於時間的關係，我們沒有找到適合用來測量靜摩擦力及動摩擦力的彈簧秤。有機會利用適當儀器測出摩擦力，可以做更深入的探討。（四）根據查資料得知，摩擦力摩擦係數 * 正向作用力，本實驗在無坡度平面上進行，正向作用力為車子的重量，其大小分別為光碟飛輪泡棉輪胎車烏龜車，但因為三種車子輪胎材質不一，因此難以判斷摩擦係數大小。二、 改良式橡皮筋動力車的運動情形。結果：經過不斷實驗測試，我門將橡皮筋動力車運轉時的問題一一改善克服，整理如下：（一）探討車子完全不轉動的原因。1.珠子陷進泡棉輪胎裡，會造成橡皮筋動力車不轉動。2.珠孔太大，無法對扭轉的橡皮筋產生力的作用，橡皮筋動力車不運轉。（二）探討車子不能直線行駛的原因。1.光碟沒有黏牢，使光碟在行駛時左右搖晃。2.膠帶黏到光碟邊緣，使車身偏移。（三）探討車子原地打轉的原因。1.橡皮筋動力車重量太輕，行駛時會在原地打轉。2.橡皮筋扭轉圈數太多，行駛時也會在原地打轉。3.橡皮筋數目太多，行駛時在原地打轉。（四）製作雙動力橡皮筋動力車，測試其運動情形。1.雙動力橡皮筋動力車完全無法運動。討論：（一）橡皮筋動力車是否能跑得快、跑得直，與珠孔位置、大小、車身重量、橡皮筋數目及扭轉圈數等息息相關，必須將所有細節調整到最佳的狀態。（二）雙動力橡皮筋動力車不會動的原因，是因為兩個動力不同步或大小不同，因此橡皮筋動力車反而不能運行。三、橡皮筋數目與運動情形。 結果：表三：橡皮筋數目與運動情形的關係（100圈）數據為到達目的地所需時間（秒）橡皮筋數目1條2條3條4條第1次2.685.58未到未到第2次3.394.1未到未到第3次2.065.94未到未到平均2.715.21未到未到圖十一：橡皮筋數目與速度關係圖表四：橡皮筋數目與運動情形的關係（30圈）橡皮筋數目1條2條3條4條第1次4.934.022.846.48第2次5.183.172.856.18第3次4.563.732.545.38平均4.893.642.746.01（一） 由表三可知，當橡皮筋扭轉圈數為100圈時，使用一條橡皮筋為動力的光碟飛輪最快也最穩，使用兩條橡皮筋速度減慢，3、4條橡皮筋均未到達終點。（二） 由表四可知，當橡皮筋扭轉圈數為30圈時，光碟飛輪的速度分別為3條2條1條4條。討論：（一）橡皮筋數目越多會互相扭轉在一起，我們試著使用不同顏色的橡皮筋，依序排列，減少互相纏在一起的問題，但效果很有限，（二）橡皮筋會扭轉在一起的問題，使用大珠孔的珠子可以解決。（三）當作為動力的橡皮筋數目多時，到達一定速度所需扭轉的圈數較少，反之橡皮筋數目少，所需扭轉圈數多。（四）使用3條及4條橡皮筋容易纏在一起，一條橡皮筋則無此問題，因此之後的實驗都以一條橡皮筋作為動力。四、橡皮筋扭轉圈數與運動情形。結果：表五：橡皮筋扭轉圈數與運動情形 數據為到達目的地所需時間（秒）橡皮筋扭轉圈數 20圈40圈60圈80圈100圈120圈第1次未到6.896.333.893.584.48第2次未到5.566.103.863.905.97第3次未到5.515.633.733.884.93平均未到6.315.683.833.814.68圖十二：橡皮筋扭轉圈數與速度關係圖（一）當橡皮筋僅扭轉20圈時，所有光碟飛輪均未抵達終點，隨著扭轉圈數增加，速度增快，當轉到80100圈時，速度最快，再增加圈數，速度反而下降。（二）實驗發現扭轉圈數越少，行走距離越短，但路徑較直；扭轉圈數越多，行走距離越遠，但路徑偏離幅度較大。討論： （一）橡皮筋扭轉後欲恢復原狀的力量帶動光碟飛輪的運動，但高於100圈時可能已超過彈性限度，因此速度反而變慢。五、輪胎寬度與運動情形。結果：表六：輪胎寬度與運動情形 圖十三：輪胎寬度與速度關係圖數據為到達目的地所需時間（秒）輪胎寬度一片兩片三片第1次5.898.63未到第2次5.297.34未到第3次5.677.26未到平均5.627.74未到重量（克）37.8869.93101.39 （一）單邊輪胎每增加一片光碟片，橡皮筋動力車的重量增加30公克左右。（二）單邊使用兩片光碟的光碟飛輪速度較單片慢，增加至三片時，速度更慢，無法到達終點。討論：（一）摩擦力摩擦係數 正向作用力，當光碟飛輪的重量（正向作用力）越大，摩擦力越大。（二）兩片光碟太重，使速度減慢；三片光碟更重，摩擦力更大，速度更慢。（三）橡皮筋扭轉後恢復原狀的力量大小有限，無法克服摩擦力，使三片光碟的動力車運行到終點。（四）橡皮筋動力車重量越重，速度越慢，這很像大卡車比小轎車需要更大的馬力，車子載重越重，速度越慢。六、吸管粗細與運動情形。結果：表七：吸管粗細與運動情形 圖十四：吸管粗細與速度關係圖數據為到達目的地所需時間（秒）吸管直徑細吸管（7）粗吸管（12）第1次4.67.45第2次5.227.07第3次5.726.39平均5.376.57 （一）根據上表的實驗結果，以細吸管為扭轉軸速度較快。討論：（一） 由於粗吸管直徑較大，相對的摩擦力也較大，使速度減慢。七、吸管長度與運動情形。結果： 表八：吸管長度與運動情形 圖十五：吸管長度與速度關係圖數據為到達目的地所需時間（秒）吸管長度細吸管(10cm)不突出光碟細吸管(10cm)突出光碟細吸管(15cm)細吸管(20cm)第1次未到7.336.334.6第2次未到6.925.925.22第3次未到7.366.365.72平均未到7.206.115.37 （一）根據上表的實驗結果，光碟直徑為12公分，當10cm的吸管未突出光碟外時，光碟飛輪完全不轉動，調整為突出光碟時，即可運行。討論：（一）若吸管未接觸到地面，扭轉橡皮筋後回復原狀的力量造成吸管空轉，無法帶動橡皮筋動力車前進。 （二）吸管越長產生的扭力越穩定，光碟飛輪速度越快。八、光碟直徑與運動情形。 結果：表八：光碟直徑大小與運動情形 圖十六：光碟直徑大小與速度關係圖數據為到達目的地所需時間（秒）光碟直徑大光碟直徑(12cm )小光碟直徑(8cm)第1次4.824.85第2次4.344.67第3次4.534.68平均4.564.73（一）根據圖十六的實驗結果，直徑12 cm的大光碟速度較直徑8cm的小光碟快。討論： （一）圓周長直徑x圓周率，大光碟的圓周長小光碟的圓周長，扭轉同樣的圈數，大光碟跑得距離較遠，因此大光碟速度比較快。九、地板材質的比較。結果： 表十：地板材質的速度比較關係 數據為到達目的地所需時間（秒） 圖十七：地板材質的速度比較關係圖地板材質木質地板水泥磨石子地板磨石子地板加水第1次6.27未到4.632.24第2次5.03未到3.92.24第3次5.04未到3.582.45平均5.45未到4.362.38 （一）由圖十七光碟飛輪在不同材質地板的速度快慢依序為：在磨石子地板加水磨石子地板木質地板水泥地。討論：（一）在磨石子地板加水，由於摩擦力較小，因此光碟飛輪速度較快，這跟一般雨天地板濕滑易跌倒原理相同。（二）摩擦力摩擦係數 *正向作用力，本實驗使用同一臺車子，正向作用力固定不變，因此各種材質地板的摩擦係數大小分別為：磨石子地板加水磨石子地板木質地板水泥地。陸、結論（一）我們設計的橡皮筋動力車中以光碟飛輪的速度最快、穩定度最高，烏龜車次之，泡棉輪胎車最差。（二）透過改變橡皮筋動力車的重量、珠孔大小、橡皮筋數目及扭轉圈數可以改善其速度和穩定度。（三）使用單條橡皮筋為動力的光碟飛輪穩定度高，使用多條（3,4條）橡皮筋的光碟飛輪穩定度降低，維持運轉的速度所需扭轉橡皮筋的圈數也減少。（四）使用單條