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懸浮轉子
| 墊圈不會往下掉，還會一直旋轉喔！ |
| ※器材：細木棍、馬達、電池、可變電阻、熱熔膠、束帶、墊圈或吸管 |
| ※操作步驟與現象： |
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在「環與棒的共舞」的科學遊戲中，小環在緩慢的掉落過程中會一直旋轉。本遊戲則是小環一直旋轉，而且不會掉下來喔！製作過程下： 1.取一小馬達，在小馬達前端的旋轉軸以熱熔膠黏上一個螺帽（如圖一）。注意：螺帽必須是傾斜的，以便形成不平衡的轉動。 2.將小馬達以二條束帶固定在直立的細圓木棍上（直徑約0.3公分，長度約50公分），然後接上電池以及可變電阻。完成後如圖二。 3.打開電源，並調整可變電阻，讓馬達轉動。由於馬達黏上螺帽，產生不平衡的轉動，會帶動細木棍產生振動，然後將金屬墊圈（或取一小段吸管）放進細木棍的上端，金屬墊圈會隨著細木棍的振動而轉動（如圖三）。調整可變電阻，改變馬達的轉速，細木棍的振動也會隨之改變。當馬達在適當的轉速時，金屬墊圈會停留在細圓木棍上一直轉動，不會掉下來，有時甚至還會往上跑喔！另一方面，也可以放進二個；甚至三個、四個墊圈，也都不會掉下來喔。 |
| ※原理： |
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懸浮轉子的電路接線圖，如圖四；其中可變電阻有三個接頭，可以接中間與右邊，或是中間與左邊。 墊圈會在圓木棍上轉動而且不會掉下來（甚至往上跑），是因為木棍由馬達的帶動而振動，此情形就如同我們搖呼拉圈一樣，身體的轉動帶動呼啦圈旋轉而不會掉下來。 由於馬達的旋轉軸黏貼了螺帽，而且螺帽是以傾斜的方式黏貼（參見圖一），目的在使馬達的旋轉為「偏心（eccentric）旋轉」，此非對稱的不平衡轉動會產生振動，帶動木棍振動，進而使墊圈旋轉。 仔細觀察，可以發現木棍的振動會形成如圖五的振動，有如波浪狀。而且會產生「駐波（standing wave）」的形狀，中間有數個「節點（node）」，亦即形成一種規律性的振動，因此可以使得墊圈穩定的旋轉。注意：木棍的振動是否會形成駐波，和螺帽重量、馬達轉速以及木棍的粗細都有關係，不是必然會形成駐波。 |
| ※叮嚀的話： |
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1.在製作上，儘量挑選細的圓木棍，越細越容易產生振動，比較容易成功。而且將木棍直立固定時，必須將底部牢牢固定，不可鬆動。圓木棍可在美術材料行購買，而且也可採用塑膠材質的棍子（一根不到5元），直徑建議在0.2～0.3公分。 2.挑選了細的圓木棍，如果墊圈還是會掉下來，無法成功，通常是振動幅度太小，建議換為較大（較重）的螺帽，以便產生較大的振動。除了螺帽，墊圈的大小也會影響，因此建議最好準備不同尺寸的墊圈或螺帽，逐一替換試驗。 3.馬達的轉速也是影響因素之一，不是轉越快就越容易使木棍產生駐波。在操作時，調整馬達轉速，仔細觀察木棍是否產生駐波（通常木棍越細越容易觀察到駐波），確定有駐波之後，才放進墊圈。 4.在教學上，可以指導學生探究以下問題：(1)墊圈的孔洞大小是否影響在木棍上的旋轉？以及墊圈的孔洞大小和棍子的粗細，有否需要特定的比例？(2)木棍換為粗鐵絲，是否也可以成功？換言之，棍子的材質（摩擦力差異）是否也是變因之一？(3)馬達的轉速越快效果會越好嗎？還是不一定？ 以上相關的討論可參考科學遊戲「環與棒的共舞」，可以發現墊圈的旋轉與棍子粗細之間的奧妙關係。 |
| ※參考資料： |
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Downie, N. A. (2001). Vacuum bazookas, electric rainbow jelly, and 27 other Saturday science projects. Oxford: Princeton University press. |
著作權所有：許良榮 2010.04 改版 網頁編輯：徐薇棋 顧 問：王德麟
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