科    別：物理科

組    別：國小組

作品名稱： 橡皮動力車

關 鍵 詞：動力車 、扭力 、摩擦力

指導老師：林淑惠

橡皮動力車

一、摘要

利用資源回收的鐵、鋁罐子作成實驗用的橡皮動力車，找出失敗原因，此外選擇可開蓋的罐子並操作以下變因1（扭力）2（橡皮筋粗細）3（同罐子不同重量）4（同重量同車長不同輪半徑）5（同重量同輪半徑不同車長）6（軸心是否歪斜）7（增加車輪摩擦力）等各項實驗；想出方法改進五上康軒自然課本，和妹妹四上康軒自然課本內所教的橡皮動力車，最後利用資源回收的材料自製不同造型、摩登生動有趣、跑得快的橡皮動力車。                                                               

二、研究動機：

康軒五上自然第六單元物體的運動快慢，教我們製作橡皮動力車，大家按照方法各自製作 ，一起到學校比賽，結果有的車子跑得很快，有的車子跑得很慢，有的車子根本不能跑，有的甚至原地打轉；妹妹四上康軒自然課本也做橡皮動力車，媽媽還特地幫她買了四個梭子，可是她還是沒成功。

三、研究目的：

（一）探討橡皮動力車子，不能動、原地打轉、失敗的原因。

（二）探討哪些因素會影響橡皮動力車跑得快慢？

（三）討摩擦力對橡皮動力車運動的影響。

（四）自製不同造型、摩登生動有趣、跑得快的橡皮動力車。

四、研究設備及器材：

不同大小鐵罐、鐵鎚、釘子、橡皮筋（粗細長短相同）、牙籤、木筷、珠子、鐵絲、磨砂

紙布、磁鐵、紙粘土、雙面膠帶、捲尺、錶（帶有碼錶

計時器的電子錶）、空衛生紙盒、寶特瓶蓋牛奶瓶蓋、大小吸管。   

五、研究方法與結果：

研究（一）探討車子不能動、原地打轉的原因。

方法：

1.      取不同大小鐵鋁罐，用釘子穿洞，用鐵絲將橡皮筋鐵罐和珠子、牙籤和木筷固定在兩側，作成橡皮動力車（圖1）。扭緊橡皮筋，定點出發，測量 一定時間（10秒）內哪個跑得距離最遠？

2.      仔細觀察罐子是否凹禿不平？洞口是否歪曲或太小？木筷是否太短或被梗住？

3.      把不能動、打轉、誤差太大、紀錄下來，並推究原因。

結果與討論：

1.  橡皮筋具有彈性，使扭緊的橡皮筋具有回扭的能力（這種力底下我們簡稱扭力），靠這種扭力使車子前進。

2.      軸心洞口必須圓滑且不能太小否則會卡住橡皮筋無法回扭造成不動，也不能太大否則珠子會被卡住不能轉動，必須大小適中。

3. 易開罐拉環向內的鋁片或鐵片，若卡住橡皮筋會造成不動，儘量拔掉或儘量往內扳就能動了。

4.      大部分易開罐鋁罐，一側內凹很深，若裝上小珠子，竹棒會緊靠罐緣造成不動（圖2），可再加一小珠子或換大珠子，使其超出罐緣（圖3）就能動了。

5.      易開罐鋁罐拉環的一側，拉環拉掉後，形成的開口偏向一邊，且非常銳利，造成洞口歪斜，甚至容割斷橡皮筋（圖4），最好小心從中間再開一洞，便可解決以上問題。

6.      竹筷有平衡的功能，若用短吸管或短於罐子直徑的筷子（圖5）則內部橡皮筋會迴轉，便無法前進。

問題：

1. 橡皮動力車是靠扭緊的橡皮筋回扭的力量（扭力）前進，那麼橡皮筋扭的越多圈（扭力越大）是不是就跑的越快呢？ 橡皮筋材質粗細會影響扭力嗎？

2. 我們發現比較大的罐子跑起來似乎比較慢，是不是輕的罐子跑起來都比較快呢？

3. 為什麼有些車子會打轉呢？為更進一步了解，於是進行以下實驗。

研究（二）哪些因素會影響橡皮動力車跑得快慢？

＜實驗1＞橡皮筋扭的圈數越多越緊，車子跑得越快嗎？

方法：把做好的沒有故障的橡皮動力車（圖6），各分別扭50圈、100圈、150圈 、200 圈 、 測量跑四格瓷磚（120㎝）所花的時間，並觀察紀錄車子運動狀況。

＜實驗2＞橡皮筋粗細會影響車子的扭力嗎？

方法：各取3條粗細長短相同橡皮筋，單一條為細的（單筋），兩條合併成一條當粗的（雙筋），配合（二）的實驗一 起做。

說明：

1.為求實驗較準確，每一罐子同一實驗至少重複作三次，取得平均值。

2.為確保圈數相同，每做完一次實驗，必須重新拆罐、重新組裝，發現橡皮筋變鬆弛，則須

更換相同粗細新的橡皮筋，雖然麻煩，但熟能生巧越作越快。

結果：

討論：

1.      單一橡皮筋扭的圈數太少（如50圈），對比較大的罐子（如大牛奶罐、大哥酥豆罐），就不太能動。

2.      橡皮筋扭的圈數越多越緊（扭力越大），車子跑得越快。

3.      橡皮筋愈多條愈粗，車子跑得越快（如大牛奶罐大哥酥豆罐）；單一橡皮筋扭的圈數太少（如50圈）原本不太能動，但改成雙條粗橡皮筋就能動。

4.      雙條橡皮筋雖可使車子跑得越快，但對比較小的罐子（如蕃茄汁罐）橡皮筋扭的圈數太多（如超過100圈）會造成原地打轉，影響前進的速度。

5.      雙筋扭的太緊比單筋容易扭斷；單筋比較耐扭，但都不超過200圈便折斷。

問題：

小的罐子橡皮筋扭力太大會造成原地打轉，若增加重量是否可改善呢？

＜實驗3＞車子的輕重會影響車子的快慢嗎？

說明：

1.          本實驗操縱變因是「車子的重量」；不變變因包括：「體積」「跑的距離」「相同罐子和其他附屬材料」；應變變因是：「車子的快慢」。

2.          為府合以上條件，本實驗皆選容易開蓋的鐵罐子，以便粘上磁鐵或黏土於內壁（圖7），來增加重量，如此才不會影響體積和車體表面摩擦。

3.          本實驗為怕單筋扭力不夠，全部使用雙筋。

方法：

同一鐵罐車分別作三項實驗；一項不加磁鐵、一項加四個磁鐵、一項加八個磁鐵；比較同體積不同重量車子的快慢，測扭力（100圈）跑四格瓷磚（120㎝）所花的時間。

結果：

同大小不同重量跑120㎝所花掉的時間：

討論：

1、大罐子多加磁鐵，重量愈重跑得愈慢，輕的罐子（蕃茄汁罐）加點重，可使車子原本打轉改善，但再加多重量速度也變慢，由此可知同大小不同重量較輕的跑得快較重的跑得慢。

2、黏上磁鐵於罐子內壁，若未保持對稱，會影響車子的快慢，甚至若太偏向一邊，就完全不動。

問題：若是相同重量的罐子，會不會跑的一樣快？還是會受半徑大小影響？ 於是我們又做了以下實驗：

＜實驗4＞鐵罐半徑大小會影響車子的快慢嗎？

說明：本實驗操縱變因是「鐵罐的半徑」；不變變因包括「罐長」「重量」「扭力」「跑的距離」「相同其他附屬材料」；應變變因是「車子的快慢」。

方法：取長度相同、半徑不同的車子，用紙黏土或磁鐵，黏在輕罐子內壁，讓其重量皆相同，測量哪輛車子跑得快？（黏上紙黏土或磁鐵必須保持對稱）。

結果：

        不同半徑同重量（178克）同扭力（雙筋扭100圈）跑120㎝所花掉的時間

討論：同重量同長度，鐵罐半徑愈大，跑得愈慢。                                                                                                  

問題：本實驗分成兩組； 一組長16㎝（大牛乃罐 大哥穌豆罐）、 一組長11㎝（素肉鬆罐 愛之味花生罐），長度16㎝比較慢，但因半徑不同，不能比較；於是我們又做了以下實驗：

＜實驗5＞車體長度會影響車子的快慢嗎？

說明：本實驗操縱變因是「車子的長度」；不變變因包括 「車半徑」「重量」「扭力」「跑的距離」「相同其他附屬材料」；應變變因是「車子的快慢」。

方法：取相同半徑、長度不同的車子，用紙黏土或磁鐵黏在輕罐子內壁，讓其重量皆相同（圖8），測量哪輛車子跑得快？

結果：

同重量（98克）半徑（4.3㎝）同扭力（雙筋扭100圈）不同車長跑120㎝所花掉的時間

討論：

1.      我們發現車身愈長橡皮筋扭得越緊。

2.      同重量、同半徑、車身愈長跑得愈快。

3.      我們發現車身長短沒有「車半徑」影響來得大。

＜實驗6＞軸心歪斜、不對稱會影響車子的快慢嗎？

說明：本實驗操縱變因是「車子軸心歪不歪斜」； 不變變因包括「車半徑」「重量」「扭力」「跑的距離」「相同罐子和其他附屬材料」；應變變因是「車子的快慢」。

方法：取實驗2的罐子再打一個歪斜不對稱洞，橡皮筋穿過此洞作實驗，和洞不歪斜的作比較（圖9）；為求更正確多做幾種不同扭力

結果：

討論：

1.      罐兩側洞愈歪斜車軸心不對稱，車子跑得愈慢，甚至當扭力小便不動。推測應是車軸心變歪斜，橡皮筋回紐的能力變小造成。

2.      大罐子半徑較大，軸歪斜角度較大，產生歪斜變慢效果更大。

3.     蕃茄汁罐較輕扭力太大如（雙筋100圈扭力）會打轉，洞歪斜變不打轉推測也是扭力變小之故。

研究（三）探討摩擦力對橡皮動力車運動快慢穩定度的影響

說明：

1.      我們參考資料（輪的世界）得知車輪和地面的摩擦力是造成車子停下來的原因，為印證這理論我們利用砂紙包在罐子輪面上，增加摩擦力來作以下實驗。

2.      為節省砂紙，我們把砂紙剪成2㎝寬，只平均貼在罐子兩側，各繞一圈（圖10）。　

方法：

1.      罐子輪面上包上砂紙作實驗，和不包砂紙的作比較 。

2.      多做幾種不同罐子的相同實驗。

3.      多做幾種不同扭力的相同實驗。

結果： 

討論：

1.      我們發現增加摩擦力果然車速變慢印證理論。

2.     我們也發現增加摩擦力對比較輕的罐子，當扭力過大時，有穩定的作用可增加抓地力，如蕃茄汁罐當扭力超過100圈後都會打轉，但包上砂紙後，跑的最快且不打轉。

 研究（四）自製摩登生動有趣、跑得快的橡皮動力車

方法：

蒐集四個寶特瓶或牛奶蓋子當輪子衛生紙盒作車身，吸管或不用的原子筆管作軸心做法如下：

1. 把4個瓶蓋軸心打洞比小吸管洞稍大些

2. 小吸管穿入大吸管

3. 小吸管兩端穿入瓶蓋剩餘的剪成3片折平用雙面膠貼在蓋面上

4. 前輪軸心小吸管穿入橡皮筋一端再穿入珠子兩端各用牙籤吸管固定（圖11）（圖12）

  結果：（圖13）（圖14）

討論：

1 寶特瓶或牛奶蓋子當輪子比梭子容易取得容易製作，且洞口大小可自由控制，較容易穿過吸

  管，蓋子上的條紋可增加抓地力防止輪子打滑，

2 衛生紙盒輕大小適中可壓住輕的輪子防止原地打轉，若太輕可加入紙做人偶增重使車子不易打轉，同時增加趣味。

六、結論

（一）綜合以上實驗，我們經由討論結論是：

1.      橡皮動力車跑得快慢會受到 ：『橡皮筋扭的圈數』『橡皮筋的粗細』『車子重量』『車輪半徑』『車身長短』『軸心洞是否歪斜』『車輪面與地面摩擦力』影響。

2.      『橡皮筋扭的圈數』即扭力，是使橡皮動力車跑的動力，扭力必須大於車子重力才能動，且扭力必須適中；太大可能扭斷或造成打轉，太小則車子跑得越慢甚至不動。

3.      『橡皮筋的粗細』會影響扭力；越粗的橡皮筋緊度越大扭力會越大，越細的橡皮筋緊度越小扭力會越小；然而粗橡皮筋可能因繃緊度變大，故繞得越多圈，比細橡皮筋容易折斷。這個原理很像汽車，汽車靠燃燒汽油產生動力（馬力），每一種汽車有一定的馬力極限。

4.      橡皮動力車『車子重量』越重跑得越慢，甚至須用更大的扭力才能動，這很像一般大卡車必須比一般小轎車使用更大的馬力，車子載越多重物相同馬力就越慢。

5.      同重量 同半徑，『輪軸心歪斜』跑的越慢；車子的輪軸必須保持平衡對稱才省力。

6.      『車輪面與地面摩擦力』越大跑的越慢，這讓我們了解煞車的原理，此外車子上的條紋也可增加摩擦力可讓車子更平穩不打轉，這讓我們了解上合歡山賞 雪車子最好加鐵鍊的原因，原來雪地太滑車子易打轉，車輪加鐵鍊可增加摩擦力，讓車子行駛更平穩安全。

7.      由以上實驗結果討論我們認為使用材料偏向輕些，輪半徑偏向小較好，但必須防止車子打轉，例如選擇抓地力強的橡膠輪子。玩具回力車也有相同道理

（二）檢討與感想

在實驗過程中，我們有多次因不小心沒握好竹筷，還未啟動就讓橡皮筋回鬆了不知幾圈，也有多次計時和車子開動沒有配合好，只好重新開始；許多項實驗多不只重做三次，由於時間不夠，我們除了短短的社團時間外，還利用許多數不清的午睡時間，還好我們是一群活力充沛，不愛睡午覺喜歡實驗的學生，作實驗就彷彿在遊戲般，雖然辛苦卻也很好玩，此外從這些過程中，更讓我們學習到實驗的精神要細心、耐心、與夥伴合作無間，也讓我們獲得不少寶貴知識。

七、參考資料及其他

  ˙康軒五上自然第六單元物體的運動快慢

  ˙Terry cash著殷慰葴譯（民82）：動手作科學學1

  ˙蘇侃（民80）輪的世界。台北市，圖文出版社

  ˙夏元瑜（民80）會動的玩具。嘉義市，明統圖書公司出版

  ˙陳慶飛..張鳳蕙撰（民77）科學趣談。台北市，牛頓出版社

  ˙李田井譯（民81）探索科學，世界科學圖書館10，台北市

˙（民70）科學教授。故鄉出版社

八、參考圖片

儀器材料

利用空紙盒瓶蓋等資源回收材料

（圖1一1打洞）

（圖1一2）穿橡皮筋

 （圖1一3）蓋上蓋子

（圖1一4）完成車一側加珠子竹筷

（圖1一5）另一側竹籤固定

（圖2）竹棒緊靠罐緣造成不動

（圖3）多一珠子突出罐緣就可動

（圖4）左較好右較易不動

（圖5）平衡棒太短太輕會迴轉

（圖6）不同大小的橡皮動力車

（圖7）粘上磁鐵於罐子內壁必須保持對稱

（圖8）同半徑同重量不同高

（圖9）同一罐子不同軸心

（圖10）包砂紙增加摩擦力

（圖11）研究（四）1一4步驟

（圖12）盒子抽口挖洞剪貼出不同造型車身

（圖13）車身底貼在輪軸上即完成

（圖14）車內貼上人偶更生動