五南官網-玩出創意4：55個玩悅科學實驗

小五南-學習高手
玩出創意4：55個玩悅科學實驗
2017文化部「第39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：2021/01/07(2版4刷)
ＩＳＢＮ：978-957-11-9082-2
書　　號：YI10
頁　　數：252
開　　數：正20K
定　　價：330元
優惠價格：261元

簡單富趣味性的科學實驗․親自動手玩出創意
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《玩出創意》系列的第四本書，全書包含八大類共55項的科學實驗，每一項都包含：操作過程、原理說明、叮嚀的話以及參考資料。本書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實驗，而且大多能以簡易的器材自行製作。
　　本書內容皆經過實際實驗，確認結果的可靠性，再經由學科專家的審閱修訂。每一項科學實驗以「特徵圖」表示趣味性、概念難度、操作難度、器材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. 簡諧運動之美
單擺不簡單，能畫出複雜的圖案喔！

實驗影片QRC 
器材：繩子、啞鈴、PVC管、梯子、原子筆、絕緣膠帶
操作過程與現象
《玩出創意：120個創新科學遊戲》一書曾介紹過「創意水彩畫」，利用懸掛為Y形的單擺，畫出漂亮的幾何圖案。本實驗也是利用單擺的擺動，但是實驗裝置比較複雜，可以畫出更精細、更漂亮複雜的圖案。實驗裝置如下：
1.參見圖一，以二條尼龍繩將啞鈴（擺錘）的左右二端懸掛在梯子上，形成單擺。
2.梯子建議至少5尺長（約1.5公尺），而啞鈴的重量，作者實驗時共使用了80磅（約37公斤）。
3.在梯子上方，繩子要綁成Y型（如圖一右上），打結的地方要儘量靠近梯子上方，讓繩子的擺長儘量長一點。
4.以膠帶將「筆套」固定在啞鈴上（如圖一右下），以便插入原子筆。筆套可以製作一支，也可以製作二支同時作畫。
(1)選取管徑略大於原子筆的PVC管，裁切一段約10公分長（如圖二下）。
(2)挑選形狀較規則的原子筆，放入PVC管中（如圖三）。手握PVC管並上下、左右來回移動，試驗原子筆是否能順暢的書寫畫線？如果畫的線斷斷續續，再換一支，務必挑選能夠順暢書寫的原子筆。
(3)為了避免原子筆在PVC管子內晃動，用絕緣膠帶纏繞原子筆以增加厚度（如圖四），並且在原子筆的上下二端分別纏繞一段（如圖二上）。纏繞時務必保持膠帶的平整，以使膠帶的厚度接近PVC管的內徑，讓原子筆可以在PVC管內上下自由移動，並且不會左右晃動。
完成以後，在啞鈴的下方放置數張紙，然後提起啞鈴再放下，只要改變提起的角度與方向，就可以畫出各種漂亮的圖案了！

為了得到乾淨、漂亮的圖案，操作時請注意：(1)提起啞鈴放開之後，一開始啞鈴會亂晃，因此在開始擺動大約一秒後，抽掉第一張紙，讓啞鈴在第二張紙上作畫，圖案會比較完整有規則性。(2)結束時不能直接抽出紙張，因為會拉出多餘的線條，必須等啞鈴靜止之後，用手小心地將原子筆往上提，再抽出紙張。
實驗結果的作品如圖五～八。圖五、圖六只用一支筆描圖，圖七、圖八則以二支筆同時描圖，更多的實驗結果圖形，請參見作者網站「科學遊戲實驗室」（http://www.ntcu.edu.tw/scigame/power/power-047.html）。
原理
本實驗的操作參考自Jonathan Lansey的個人網站（參考資料1），但是作者改良了筆套的製作以及部分裝置。實驗原理與「創意水彩畫」的「Y形單擺（Y-suspended pendulum）」相當類似，但是較為複雜。此種利用擺動與旋轉運動過程所繪製的圖形，常被稱為「諧波圖（harmonograph）」，並且與「利薩如曲線（Lissajous curves）」有關連性。
「利薩如曲線」是兩個方向互相垂直的正弦波的合成軌跡，改變下述公式（參考資料2）的振幅、角度、頻率比率等等，可以畫出不同的幾何圖案。
Worland & Moelter（2000）實驗Y形單擺的擺動軌跡，發現可以吻合利薩如曲線的公式（如圖九）。但是利薩如公式的曲線圖形，與本實驗的結果並不吻合，相對而言，本實驗的圖形更為複雜。造成差異的原因，主要是因為利薩如曲線的振幅並沒有隨時間改變，亦即振幅保持固定。但是本實驗的單擺擺動過程中，由於摩擦力、空氣阻力等等因素，使振幅隨時間而逐漸變小。另一方面，本實驗啞鈴的運動，不只是水平軸(x)、垂直軸(y)的擺動，也包括了啞鈴軸(z)的左右擺動（如圖十）。
Tutelman（2008）的網站討論了振幅衰減的影響以及電腦模擬圖形（參考資料3），修訂利薩如曲線的公式如下，其中增加了「振幅衰減常數」D；而將正弦sin改為餘弦cos只是電腦模擬的美學因素，不是數學上的必要性。公式的模擬結果（如圖十一）與本實驗的圖五、圖六頗為吻合，但是能否符合其他圖案的解釋尚不得而知。
叮嚀的話
1.本實驗的繩子綁法，影響頗大，尤其是綁在梯子最高的地方。建議綁成Y形（如圖一右上），畫出來的圖案比較有特定模式，也比較多樣、漂亮。如果繩子只是單純繞過梯子最高處，圖案會比較缺乏美感。
2.梯子越長（越高），亦即擺長越長，圖案的精細度以及層次性都可增加，建議不要使用低於5尺（約1.5公尺）的梯子。
3.啞鈴的重量是重要變數之一，因為擺錘的重量越大，單擺的「振幅衰減係數」越小（能量衰減的比率越小），就可以擺動比較久。如果擺錘太輕，很容易就停止擺動，比較畫不出美觀的圖案，建議總重量不要低於60磅（約27公斤）。但是由於重量頗大，不容易搬動，請注意安全不要被壓到，同時也要留意繩子是否太細而有斷掉的可能。
4.製作實驗裝置時，比較花時間的是「筆套」的製作。注意事項如下：
(1)購買「書寫順暢」的原子筆時，如果用手握在筆上直接書寫，並不準確，因為手會施予原子筆壓力，所以幾乎都是「書寫順暢」。因此必須以圖三的方式試驗，確認原子筆在PVC管子內自由移動時（含上下左右），也能順暢的留下筆跡。
(2)為了使原子筆吻合PVC管徑大小，必須纏繞「絕緣膠帶」（如圖四）。注意纏繞時不要用力拉扯絕緣膠帶，以免變形。尤其要注意的是：不要使用一般的透明膠帶！一方面是因為透明膠帶太薄，要繞很多圈，另一方面是不容易平整的纏繞，很容易有皺褶而不滑順。
5.本實驗很適合引導學生鑑賞「科學之美」，也能培養學生的實驗知能，在教學上建議不要專注在數學推演，指導學生觀察與討論以下問題：(1)啞鈴提起的角度、位置不一樣時，畫出來的圖案有何差別？(2)啞鈴歪斜時（圖十的z軸改變），畫出來的圖案主要特徵為何？(3)提起啞鈴後，以手推動啞鈴，推動的力道大小對於圖案有何影響呢？

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