國立自然科學博物館
探索世界鐘擺篇/活動指引
鐘  擺  篇
適用對象:(1)國中二年級以上學生

      (2)國小中年級學生親子活動

展示區:科學中心地下室『科學探索廳』

『科學探索廳』展示簡介:

本區展示大致上分為四大類型;

一、混沌科學:

  所謂混沌科學即試圖從混而不清的概念中找出一個準度(模糊邏輯),並在大千世界種種奇特的物理形狀及一些看似撲朔迷離的自然現象中找出它們的內在規律(碎形),以及探討原本個別運動行為看起來並無次序,集體觀之卻有著特殊地規範者;也就是所謂的「由個別無序、到集體有序」的現象,正是新興的「混沌科學」。這一門嶄新的科學,將來可能主導未來的各個科學領域。在本區內這類的展品包括:混沌擺、風神的景色、龍捲風、不穩定的球體、雲圈、奇異的吸引子、水波、對流等等。

二、感官知覺:

  「眼見為憑」本是一般人所堅信的至理名言,然而在學習成長的過程中,生活經驗常左右著我們的所見所思,人們經常透過經驗解釋所看到的現象,因此常可利用這一點塑造一個並非真實的人為情境,形成縱橫交「錯」的「感覺」認知。本展場所陳列的即是一些有關人類感官的錯覺展示,是科學、藝術與心理的美妙結合,如錯覺屋、圓的變形、天使的圓柱、魔棒、流明幻覺、針幕、渦輪植物相、留影、閃光噴泉等。可以說明一些所見的奇景只不過是錯覺而非幻覺。

三、近代物理:

  近百年來強調規律變化和週期運動的近代物理已是近代科學思潮的主流,其成果不斷地被應用在生物學、醫學、天文學及其它自然科學上;也在我們日常生活中發揮它的效用,如電視機、音響、電腦等都是物理學的結晶。然而大部份的人都還認為它是一門充滿著難懂的數學公式、不易親近的學問。愛因斯坦說:「數學只不過是用於表達物理學理論的一種補助性手段而已。不靠數學公式也可以體會其思想,觸及到它的真髓。」本展場所呈現之一般物理現象的展示,包括:平衡的球、貝努升浮器、光譜、光之島、真空不傳聲、聲音的圖像、磁懸浮、衛星軌道模擬器、渦電流、測流器、零到六十、特斯拉線圈、各種擺動、對流等,都是藉著遊戲的方式,讓觀眾寓教於樂,體會到日常生活中一些 規律的物理現象。

  本活動單藉著展示場內的擺,進行與觀眾交互的活動。讓觀眾從動手做中清楚地掌握擺長、頻率、擺幅等各種概念,可成為往後研究聲波、光波等的學問的基礎。

四、雷射全像攝影:

  全像術是以干涉條紋記錄光波動干擾的振幅和相位分佈,隨後並使之重現的技術,它已被廣泛地應用在光學的立體成像。本區有十二幅全像攝影,展現出這種最新科技與藝術結合的作品,觀眾不須靠觀察工具,僅前後稍作移動就可以欣賞立體而逼真的動畫影像。

活動目標:

  1. 從科學上有趣的層面,吸引注意力。
  2. 消除一般人對科學的陌生與畏懼,由「動手做」激發觀察與思考,並得以驗證已學過的抽象知識。
  3. 經由解釋所觀察到之現象的過程,提升生活經驗,培養出對科學探究的興趣。
  4. 認識單擺的規律性以及擺動的週期、頻率、擺幅等名詞。
  5. 因波動也可用規律運動來描述,也論及週期、頻率、振幅,故本單元活動可作為爾後研究聲、光、電磁波等各種波的基本觀念。

重要概念:

  1. 週期:在穩定的擺動狀態,擺錘由一端的最高點擺盪到另一端的最高點,再擺回原高點,稱為一次擺動。擺動一次所需的時間就是週期。
    頻率:每秒擺動的次數。
    擺幅:在穩定的擺動狀態,擺錘由最低點到左右任意一端最高點的距離。
    擺長:擺的支點到重心的長度。
  2. 單擺擺動的規律性可以用來計時。
  3. 擺幅不甚大時,擺長越長,擺動一次所需的時間越久。
  4. 單擺擺動的過程是重力位能與動能的互換,「能量」不會無中生有,所以當無外力或能量加入時,每次擺盪擺錘的高度不會高過之前的高度,擺幅卻會因摩擦力耗損掉能量而變小。
  5. 單擺擺動的週期與擺幅大小、擺錘輕重無關。
  6. 平衡擺中的黑色橡膠環離開支點越遠,對銀色錘所產生的重力抵消越多,好像在玩蹺蹺板時坐得離支點越遠,產生的力矩把對方的力矩抵銷得越多。也如讓擺錘在月球上擺盪,因所受重力減少,因此擺盪週期也變長。

相關課程:

國中理化第一冊第二章

國中理化第二冊第十二章

相關展示:

科學中心四樓「球的運動」

相關資源:

  1. 中國古代科學的探索 光復書局股份有限公司 1987
  2. 技術知識的探索 光復書局股份有限公司 1987
  3. 牛頓研習百科(物理) 牛頓出版社 1993
  4. 二十一世紀世界百科全書10 百科文化事業公司 1981
  5. 大不列顛百科全書Vol.2  丹青圖書有限公司 1987
  6. 探索發明天地 文道出版事業有限公司 1984
  7. 自然科學彩色辭典 華視出版社 1987
  8. 漢聲小百科(十一月) 英文漢聲出版有限公司 1985
  9. 「水運儀象台」解說小冊 國立自然科學博物館 1995

有獎徵答參考題庫:

  1. 為什麼鐘擺等計時器中需要有卡子來作為輔助工具?
    A:卡子的主要功用是強化擺動,保持它運動的規律性。自然界中凡是作規律運動,或具有規律變化的現象,都可以用來測量時間。
  2. 上音樂課時所用之節拍器,它的支點在底部,要打出較快的節奏時,應該把擺錘升高或降低?A:降低。(靠近支點,擺長變短。)
  3. 雲霄飛車從高處往下衝至另一段上坡道時,會不會衝得比出發點高?
    (建議:請參考本館四樓展示 球的運動 及重要概念4)
    A:不會。
  4. 若在月球上做擺動實驗,週期比在地球上做相同實驗時長,可能的原因是什麼?
    A: 因月球引力較小,擺所受的重力位能也較小,因而擺動得較慢。
  5. 當你和一位體重比你大很多的人玩蹺蹺板,你所坐的位置應該離中間的支點較遠或較近才能平衡?
    A:較遠。

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