簡單中的美妙與奧秘－擺與振.pdfVIP

簡單中的美妙與奧秘－擺與振 a b b 邱韻如 、蘇裕年 、羅榮裕 a 長庚大學通識教育中心 物理科，桃園縣龜山鄉 333 b 國立虎尾高中，雲林縣虎尾鎮 632 摘要 看到『擺』，你會聯想到什麼？在物理上，有哪些現象、概念、人物、實驗…. 和『擺』有關？ 『簡單』的單擺，蘊藏了多少『奧秘』？本工作坊介紹各種和 擺與振有關的實驗，從一個擺到很多相鄰的擺，帶領學員觀賞擺的舞蹈以及體驗 共振的威力。 一、擺中奧秘：真人擺、打人擺、秒擺、佛科擺、彈簧擺等等。 二、舞的舞蹈：牛頓擺、蛇擺、雙擺、彈簧擺、念力擺等。 三、振振相應：橋的共振、玻璃杯的共振、龍銑、克拉尼圖形等等。 本文 壹、前言 本工作坊將許多和擺與振有關的實驗活動有結構的組織起來，形成一個主 題式系列教學活動，分為『擺中奧秘』 、『擺的舞蹈』與『振振相應』三大部分來 進行。各個單元分別以影片、圖片、DIY 、示範演示及講解等不同形式來進行， 可以個別獨立運作實施，放在一起則彼此之間環環相扣前後呼應。在教學時特別 注意，不很快直接講出答案，而是提出許多問題讓學生思考，前面實驗的答案， 會在後面的單元中呈現出來，用這樣的方式帶動學生持續思考或驗證他們的想 法。 貳、活動的內容及過程 一、擺中奧秘 這個部分包含了七個小單元 (表一) ，每個單元可以獨立實施，放在一起則有 相輔相成的效果。除了帶入擺的特性之外，主要目的在於引起學生思考及學習動 機。我們以提問的方式引出他們的想法，讓他們思考及討論。為了營造一個『擺 』的情境，除了各種示範器材外，我們在教室的天花板上綁了一個直徑約二十幾 公分的大鋼球，和二個長短不一的鞦韆。 (一)擺的特性 單元 101是 MIT的 Lewin 教授在課堂上表演的精彩影片[6] 。請學員注意影 片中二個和擺有關的片段，一是 Lewin 教授親自跨坐在從天花板懸掛下來的大擺 球上，在講台上盪來盪去，台下學生一起幫他數在某段時間內盪了幾次圖( 1.1a) ；另一個是他先演示一個從天花板懸掛下來質量15.5磅的擺球，放手之後，回 程時打碎玻璃，讓學生產生震撼後，換成自己站在剛剛玻璃的位置，當擺球再次 回來時，會打到他自己嗎 圖( 1.1b) ？看完這段影片後，我們問學員，這二個示範 1 實驗中， Lewin 教授在證明什麼？ Lewin 教授親自在講台上盪來盪去，是在證明給學生看，擺錘的質量與週期 無關。擺錘的質量真的與週期無關嗎？這是一個值得深入探討的問題。 單元 102的鞦韆問題剛好可與 Lewin 教授的表演相呼應。通常校園或公園裡 的鞦韆大都是一樣長，很多小朋友都以為用力一點盪，就可以盪得快一點。我們 特別從天花板上綁了一長一短的二個鞦韆，和學生討論。 單元 103的打人擺 圖( 1.2) ，是跟周建和老師學來的。把裝有小鋼珠的保特 瓶懸掛在天花板上，調整好學員甲的站立位置，把瓶子拉到鼻子前然後放手，當 瓶子再回來時剛好不會打到他的鼻子。接著，拿出一條綁有磁鐵的繩子，磁鐵從 瓶外吸住鋼珠，拉到一定程度後，因磁力不夠，繩子就會和瓶身分離，因此，瓶 子打不到站立的學員甲。我們請台下的學員們想辦法或出來嘗試，看看用這些道 具，怎樣可以讓保特瓶打到學員甲？ 在這個實驗中，要利用共振的原理才能讓保特瓶的 振幅增加而打到學員甲， 在磁鐵的吸力範圍內，不斷的以固定的頻率推動瓶子，就可讓振幅逐漸增大。這 和盪鞦韆的原理一樣，適時的推，就可以讓振幅越來越大。此外，我們還利用電 磁鐵一吸一放的原理，讓靜止懸掛在天花板下的大擺球振盪起來了，而且振幅越 來越大。由此不只讓學員再次感受到『共振』的威力之外，又引出一個問題可以 討論：盪得越高，週期是不是越大？ 前三個實驗 單元(