五南官網-玩出創意3：77個奇趣科學玩具

小五南-學習高手
玩出創意3：77個奇趣科學玩具
2015獲選文化部第37次中小學生優良課外讀物評選推介入選

作　　者：許良榮
出版社別：小五南
書　　系：學習高手
出版日期：2020/08/04(2版4刷)
ＩＳＢＮ：978-957-11-8683-2
書　　號：YI04
頁　　數：300
開　　數：正20K
定　　價：390元
優惠價格：308元

本書是科技部大眾科學教育計畫成果，每一項科學玩具都經過實際操作
每一項實驗都有實驗影片QRC，提供讀者下載觀賞

　　本書為作者繼《玩出創意：120個創新科學遊戲》、《玩出創意2：48個科學魔術》二書後的最新力作。內容網羅國內外書籍、網路的最新資料，整理出具有趣味性以及蘊含科學原理、科學概念的多種科學玩具，而且都能以簡易的器材自行製作。全書包含九大類、共77項的科學玩具，每一項都包含：製作過程、原理說明、叮嚀的話、參考資料。
　　本書是作者執行科技部大眾科學教育計畫的產物（計畫編號：NSC102-2511-S-142-016），內容皆經過實際操作，以確認結果的可靠性，再經由學科專家的審閱修訂。每一項科學玩具並以「特徵圖」表示趣味性、概念難度、製作難度、製作成本以及危險性的資料，以提供家長與教師在指導小朋友或學生時的參考。

許良榮

學歷
國立台灣師範大學化學系學士(1982)
國立交通大學應用化學研究所碩士(1986)
國立台灣師範大學科學教育研究所博士(1997)

經歷
現職：國立台中教育大學科學教育與應用學系教授
曾任：國中教師、國立台中教育大學助教、講師、副教授、系主任

研究領域
科學遊戲、科學魔術、科學概念診斷與學習、科學史與科學本質
個人網頁：http://www.ntcu.edu.tw/scigame/index.html（科學遊戲實驗室）

榮譽與服務事蹟
1.獲國立台中教育大學「教學優良教師」以及多次「學術研究特殊表現」獎勵
2.歷年擔任國內學術研討會、學術期刊、教育局論文徵選等等之論文審查委員
3.歷年擔任全國中小學科學展覽評審委員、大學評鑑委員以及金鼎獎評審委員
4.曾任「中華民國科學教育學會」理事以及「科學教育學刊」(TSSCI之一)執行編輯
5.著作《玩出創意2：48個酷炫科學魔術》一書（書泉出版社），榮獲2012年第36屆金鼎獎（兒童及少年圖書獎-科學類）
6.獲「科技部特殊優秀人才」獎勵共三次

1.不出軌的輪子
不需要控制，會自己轉彎的輪子！

器材：橡皮塞、牙籤、電線、熱熔膠 
操作過程與現象
汽車用方向盤控制輪子方向以進行轉彎，火車沒有方向盤，主要是靠鐵軌導引來轉彎，因此火車的輪子設計就很重要。如果不仔細觀察，火車的輪子看起來好像是平的，但實際上不是平的喔！為什麼火車的輪子不是平的呢？讓我們來實驗一下不同形狀的輪子，在轉彎時有何差別？
圖一有甲、乙、丙三種輪子；甲是平的輪子（以圓筒塑膠管代替）；乙和丙是用牙籤當車軸軸心，插入橡皮塞當車輪，乙是內緣小、邊緣大的輪子；而丙反過來是內緣大、邊緣小的輪子。
鐵軌以高壓電電線（高度較高，一般電線太小）用熱熔膠黏貼在木板上。製作好彎曲的鐵軌後，稍微墊高，成為斜坡，再將甲、乙、丙三種輪子分別放在鐵軌上自由滾動（如圖二），觀察三種輪子是否能夠在鐵軌上自動轉彎，而不會出軌？
由實驗結果可以發現只有「丙」可以在鐵軌上轉彎，甲和乙都很容易出軌！
因此火車為了增加轉彎的穩定性，火車輪子的實際構造（如圖三、圖四），類似丙的結構，輪子的內緣略大於外緣。
原理
原理如下圖。由軌道起點A經過左彎（讀者的左邊）的彎道到B時，軌道會偏到輪子的右邊；此時平筒式的輪子「甲」因為維持原來運動方向而出軌。至於「乙」的輪子，在B點時由於軌道偏到輪子的右邊，因此整組輪子會左傾，反之「丙」的輪子是右傾。由於重力（即重量，紅色箭頭）朝下，使得已經傾斜的乙、丙輪子，都有一個f1的分力（藍色箭頭）。而乙輪子的f1分力朝左，此分力使乙輪子繼續往左偏，因此容易使輪子脫離軌道。而丙輪子的f1分力朝右，此分力會使丙輪子往右偏移，幫助輪子回到軌道中央，因此丙輪子就比較不容易出軌。

除了以分力解釋，也可以由輪子「轉動圈數」的差異來解釋（角速度差異）。例如乙輪子在B點時，軌道與左邊輪子的接觸點接近內側，而與右邊輪子的接觸點接近外側，因此乙輪子滾動星同距離時，左邊輪子滾動的角度較大（因為輪子內側圓周長較小），右邊輪子滾動的角度則較小，因此乙輪子傾向於往右滾動，容易在B點出軌了。反之丙輪子傾向於往左滾動，在B點就不會出軌了。

叮嚀的話
1.整體軌道的傾斜角度不能太大（不要墊太高），以避免輪子的滾動速度過快，使得因為慣性造成所有輪子都會出軌。另一方面，軌道可嘗試製作為S形，以增加趣味性。
2.教學時，如果學生是國中以上程度，可以指導學生討論以下問題：(1)輪子減少摩擦力（例如輪子貼上光滑的膠帶），對於防止輪子出軌，是有利因素還是不利因素？又有何優缺點？參考解答：輪子越光滑，摩擦力越低，可以讓丙輪子在轉彎時，傾斜的輪子更容易回到軌道，有利於避免出軌。但是輪子如果太光滑，與軌道的摩擦力太小，又容易造成抓地力降低，輪子容易空轉的缺點。(2)軌道與輪子的摩擦力與f1或f2有關呢？參考解答：f2提供了摩擦力的正向力（正向力越大摩擦力越大）。

2.以杯取珠
動動腦，如何讓玻璃珠跑到杯子裡？

器材：窄口玻璃杯（或塑膠杯）、玻璃珠
操作過程與現象
桌上畫一直徑約十公分的圓圈圈，中央有一玻璃珠（直徑0.5～1.5公分皆可），以及一窄口玻璃杯（杯口小於杯身），如圖一。向學生或觀眾提出問題：不可以使用其他工具（例如吸塵器、吹風機…等），如何讓玻璃珠跑到玻璃杯內（如圖二）？
規則1. 雙手只可接觸玻璃杯，身體任何部位都不可以碰觸到玻璃珠。
規則2. 玻璃珠不可以離開圓圈圈。
規則3. 玻璃杯不可以有破裂、損壞的可能性。
對著玻璃珠吹氣？用玻璃杯撞玻璃珠，讓玻璃珠彈起來？前者無法成功，後者可能讓玻璃杯破掉，違反規則喔！
聰明的讀者動手、動腦試看看。
解答
秘訣在於利用旋轉！操作時，將玻璃杯杯口蓋住玻璃珠之後，開始旋轉，讓玻璃珠在玻璃杯內旋轉。旋轉得越快，玻璃珠就會沿著杯緣上升。
持續旋轉玻璃杯，讓玻璃珠在杯子內旋轉，再慢慢的將玻璃杯杯口朝上（注意：過程中必須持續旋轉玻璃杯），玻璃珠會保持在玻璃杯內旋轉，不會掉出來。在杯口朝上後，停止旋轉，就能成功的將玻璃珠放在玻璃杯裡了。

原理
為什麼杯子旋轉玻璃珠時，玻璃珠會往上跑？
原理如下圖，當玻璃珠在杯子內旋轉時，杯壁給予玻璃珠一作用力F（紅色箭頭），方向為垂直於杯壁並略朝上（因為杯壁是斜的）。作用力F可分解為二作用力（綠色箭頭），一為指向玻璃杯中心（圓周運動中心）的f1，一為略為朝上的f2（f1與f2互相垂直）。f１為使玻璃珠進行圓周運動的向心力；而分力f2方向朝上，可以抵抗朝下的重力（玻璃杯的重量）。
如果旋轉速度增加，會使向心力f1增加（旋轉半徑會增加），同時f2也增加，玻璃珠就會往杯子上緣爬升了。如果杯子是垂直而不是斜的（例如平整的平口杯），則沒有f2分力，玻璃珠只會沿著杯壁旋轉而不會上升，因此這個科學玩具必須用窄口杯（杯口小於杯肚）才能成功喔。

叮嚀的話
1.在使用於教學時，建議使用塑膠杯，不要使用玻璃杯。因為學生在試驗時，經常會敲破玻璃杯。
2.有時學生會以杯子快速輕敲玻璃珠，讓玻璃珠彈進杯子，這也是一種解題方法，可以給予肯定。但是提醒說明這個方法不能使用於玻璃杯，有沒有更安全的方法呢？
3.指導國小學生時，建議不必提到「向心力」，以作用力來說明即可。國中以上學生可以說明向心力，而且可以討論：玻璃珠施於杯壁的作用力與旋轉速度的關係。

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