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# 7428 132 件/組

8+

認識機械物理學,學習六種簡單機械

INTRODUCTION INTRODUCTION TO TO MECHANICAL MECHANICAL PHYSICS PHYSICS LEARN LEARN ABOUT ABOUT THE THE SIX SIX SIMPLE SIMPLE MACHINES MACHINES

26


目錄 目錄................................................. 1 安全資訊 & 小技巧.......................... 2 實驗包內容...................................... 3 簡單機械簡介.................................... 4

彈簧秤.............................................. 5 組裝您的彈簧秤並學習如何使用它來 測量力的大小。

槓桿................................................. 6

組裝並實驗不同類型的槓桿,了解它們 的施力過程以及如何做到省時或省力 的效果。

斜面............................................... 11

實驗看看斜面如何省力。

輪軸............................................... 17 了解輪子如何像槓桿一樣以軸為中心 旋轉。

滑輪.............................................. 21

組裝並實驗不同的滑輪,看看它們如 何省時或省力。

楔子.............................................. 27 了解楔子如何分配力量。

螺絲...............................................29

了解螺桿是如何運作的,就像纏繞在圓柱 體上的斜面一樣。

齒輪............................................... 31 實驗這些齒輪並了解齒輪比。

1


››› 警告:本套組不適合 3 歲以下的幼童使用。 其中包含細小零件與繩子,可能被幼童吞嚥、 吸入或因長繩纏繞頸部,而產生窒息危險。

››› 保留包裝和說明,因為它們包含重要信息。 ››› 請將實驗材料和組裝模型存放在幼童無法 取得之處。

安全資訊 & 小技巧

結合鍵和連接鍵

仔細查看不同的裝配組件。紅色長結合鍵、綠色短

結合鍵、凸輪連接鍵、20mm 軸扣鍵和 30mm 軸 扣鍵乍看都非常相似。組裝模型時,使用正確的連 接鍵很重要。綠色短結合鍵比紅色長結合鍵短。

親愛的父母,

物理學是一門豐富實用且多樣化的科學,尤

其當我們透過有趣的模型來演示這些原理時, 會發現它其實不難理解。而弄清楚我們日常 所見的各種科學應用,便能體會到物理其實 是很有趣的一門科學。

我們可以透過本實驗套件所建構出的各種模 型來向孩子介紹物理概念,包括力、功、結

構優點和簡單機械。通過各種簡單的示例,

孩子可以理解相關的物理單位與基本定律, 這將有助於他可以更深入的理解並參與學校 老師的課程。

透過不同積木的搭配變化逐步組裝各個模型, 過程中需要練習組裝藉此培養耐心。在熟練 之後孩子會特別樂意去發現並嘗試更難的模 型。

部分實驗需要助手協助或將瓶子裝填部分或

全部的水,用以當作重物及重量判斷時使用。 請協助孩子完成每一個過程。

我們希望您和您的孩子在嘗試的過程中,發

連結框和長條

使用結合鍵來連接框架和長 條。

該組裝系統包含各種長度的 軸。當組裝模型時,務必確 保你使用的是正確長度的軸。

扳手

當你想要將你的模型分 解開來時,可使用板手。 操 作 板 手 時, 使 用 板 手 的窄端面來拔除紅色結 合鍵。想要拆除輪軸時, 你也可以使用板手的寬 端面來撬出自轉軸鍵。

滑輪和齒輪

如果滑輪或齒輪鎖得太緊,中間沒有空隙,可能會 造成轉動上的困難。假如齒輪或滑輪和相鄰的其他 零件中間間隔約 1 公厘的間隙的話,組件會比較容 易轉動。

現學習物理也可以充滿樂趣!

2


實驗包內容

你的實驗包裡面有什麼零件呢? 1

2

3

4

5

15

7

16

24

23

6

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36

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8

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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

3

描述

C-長結合鍵

B-短結合鍵

C-凸輪連結鍵

C-20mm軸扣鍵

C-30mm軸扣鍵 C-二合一結合鍵

C-2凸單孔轉向結合器 C-3孔長條側有孔

C-3孔超長條

C-3孔圓角長條 C-7孔圓角長條

C-7孔圓角扁長條 C-9孔長條

C-11孔長條

C-15孔超長條

C-5x5孔正方框

C-5x10孔長方框

C-3x13孔超長方框 C-5x13孔超長方框 C-20T齒輪 C-40T齒輪 C-60T齒輪

10

11

18

26

27

39

38

清單:查找 - 檢查 - 核對 號碼

9

數量

40

品號

30

7061-W10-C1R

20

13

12

19

29

28

20

30

41

號碼 23

7344-W10-C2G1

24

1

7413-W10-S1P

25

7

7413-W10-T1B

26

2

7413-W10-U1S1

27

2

7061-W10-G1S2

28

2

7430-W10-B1S

29

2

7026-W10-X1S2

30

2

7413-W10-Y1S2

31

4

7404-W10-C1S

32

4

7404-W10-C2S

33

4

7404-W10-C3S

34

2

7407-W10-C1S

35

2

7413-W10-P1S2

36

2

7413-W10-Z1S2

37

2

7413-W10-Q1B

38

2

7413-W10-I1B

39

2

7406-W10-A1S

40

2

7061-W10-U1B1

41

3

7026-W10-D2S

42

2

7346-W10-C1S

43

2

7026-W10-W5S

44

31

42

描述

C-35mmⅡ軸

C-60mmⅡ軸 C-70mmⅡ軸

C-100mmⅡ軸 C-150mmⅠ軸 C-渦桿

C-軸固定鍵

C-軸轉接器 C-曲軸 C-吊鉤

C-捲線器

C-OD23mm滑輪 C-OD33mm滑輪

C-2000mm特多龍線 C-70mm橡皮筋

C-20mm活動圓管 C-活動圓管蓋 C-秤鉤

C-彈簧測力計 P-標示貼紙

C-200g廣口瓶 B-扳手

14

22

21

32

33

34

43

35

44

數量

品號

2

7413-W10-O1D

1

7413-W10-M1D

2

7061-W10-Q1D

1

7413-W10-L2D

2

7026-W10-P1D

2

7344-W10-A1D

2

3620-W10-A1D

2

7026-W10-L2S1

1

7063-W10-B3S1

1

7900-W10-H2SK

1

7900-W10-H1SK

2

7344-W10-N3S2

2

7344-W10-N2S2

1

R39-W85-200

1

R10-02

1

7404-W10-G1O

1

7404-W10-G2O

2

7428-W10-A1G

1

7428-W85-A

1

R20#7428

1

7428-W85-B

1

7061-W10-B1Y


簡單機械簡介

簡單機械是指通過機械構造,改變工作所需的力量大小或施力方向,進而使工作 更容易的裝置。要理解這一點,我們首先需要了解力量和功是什麼。 就本套件而言,您可以將力視為推進或拉動而使物體移動的力,或是改變移動中 物體速度的力。當你透過手推門想將它打開時,你正在向門施加推力進而將其打 開。而力在特定方向上的作用力大小視被作用物體的質量而定。 你可能認為功是父母上班時做的事情,或你在學校被要求的任務,但對於物理學 家來說,功是當力將物體移動一定距離時所施加的能量。當你把一盒玩具帶上樓 梯時,功就相當於將那個盒子從樓梯底部移到頂部所需的力量。 簡單機械使你可以更輕鬆地推進或拉動,或者以更方便的方向移動物體,從而使 工作變得更容易。但是,任何使用簡單機械節省的力量都必須考慮到距離。這是 記住簡單機械的重要原則。簡單機械使工作更容易的過程被稱為機械優勢。有六 種經典類型的簡單機械:

槓桿

槓桿是一種剛性 桿,桿子可以固定 在一個點上轉動,我們稱之為支點。向 槓桿的一部分施加力將導致槓桿上的其 他位置的負載 ( 重力 ) 跟著被移動。

輪軸

軸是一根用來穿過各種輪 子的桿子,而輪軸可視為 一種特別的槓桿,供各種 輪子以軸為中心旋轉。

滑輪

滑輪是由輪軸和繩索或鍊條構 成。而滑輪的圓周上有一整圈 的凹槽,可以用繩索或鏈條穿 過,並在兩端以手拉或附接重 物的方式來移動物品。

斜面

一個端點高於另一個端點的斜坡。沿著 斜面往上移動物 體會比垂直拉升 物體更為省力。

楔子

楔子是由兩個背靠背連接的 斜平面組成,它可以將推力 轉為向兩側作用的垂直力。

螺絲

螺絲釘是纏繞在桿上的傾斜平 面,它可以將璇轉的力沿著桿的 長度轉換成直線線性的力。

4


一個舊式的彈簧秤

彈簧秤

用彈簧秤測量力

1

為了能夠實驗簡單機械並看看它們在做什麼, 我們需要一種測量力的方法。為此,我們將使 用彈簧秤,這是一種使用金屬彈簧測量力的簡 單工具。該套件中的彈簧秤專門設計用於連接 此套件中使用的積木系統 ( 或其他智高的積木 零件 )。 彈簧秤的運作原理:拉伸彈簧所需的力量與彈 簧被拉開的距離成正比。換句話說,一個很大 的力量會使彈簧拉伸很多,一個小的力量會使 彈簧拉伸一點點。通過測量彈簧拉伸的距離, 我們可以估計施加在彈簧上的力。

連接鉤子。

2 黏貼標籤時, 將標記對齊零 (0)的位置。

將兩側都黏貼 上標籤。

旋轉藍色套環,使刻度上 的零(0)與內桿頂部的力指 示盤對齊。

測試彈簧秤

該彈簧的測量單位以克和牛頓為主,這是物理 學中最常使用的標準力量單位。嘗試測量身邊 隨手可得的物體,以了 解彈簧秤的運作原理。 測量時,請勿用藍色衣 物握住彈簧秤。 不要測量超過 800 克的 重量。

功的計算如下:

功 [J] = 力 [N] • 距離 [m] 

在移動瓶子的例子中,讓我們以重力作 為力,距離是提升瓶子時的高度差。 對瓶子作用的功 [J] =

5

質量 [N] • 局部重力 [N/kg] • 高度差 [m]

3

水瓶重量

完成!

在許多實驗中,您需要一個重物才能看到簡 單機械是如何作用的。包括 150 毫升的瓶 子。當瓶子裝水時,瓶身的刻度可以顯示它 的水量也可以換算成重量。

機械優勢

通過將施加到機械的力量倍增,機械使所需的功減 少。該倍增因子稱為機器的機械優勢 (MA)。計算 方法如下:

MA = 負載力 / 作用力

 將負載力 ( 阻力 ) 除以 MA( 機械優勢 ) 之後便可得 到作用力,你可以直接使用彈簧秤測量作用力。


模 型 1-3

實驗包內的零件 1

2

4

8

9

12

13

x8

x6

x3

x1

x2

x2

x2

15

16

x2

20

x2

25

x1

17

x1

41

x1

42

槓桿是剛性桿,在一固

通過向桿上的一點施加

19

x2

36

槓桿

x1

38

x1

39

40

x1

x1

43

三種槓桿 定支點上轉動。可以 力來移動桿上另一處

的重物 ( 或負載 )。如果 從支點到施力點的距 離 ( 力臂 ) 大於從支點到 抗力點 ( 抗力臂 ) 的 距離,則可以透過較小 的力移動較重的物體。 這就是槓桿省力方式。 依照支點、施力點與 抗力點的不同,可以分 成三種類型的 槓桿:第一類、第二類 和第三 類槓桿。 抗力點

x1

x1

施力點

支點

x1

觀察三種槓桿:實驗看看槓桿如何使機構更省力。

第一類槓桿 如何完成

按照步驟 1 到 8 建構 第一類槓桿。

1

3 2 A.

6


三種槓桿

4

模型

1

×2

13

繩子: 大約 20 公分

7

8

70 支點 9

完成! 抗

10

11

勾住彈簧秤

B.

13

B.

利用 20mm 軸扣鍵 將繩子夾進孔中。

7

6

5

12 13

mm

用水填充瓶子並將瓶子放入籃子中。這稱 為負載。

用彈簧秤稱重。調整水量直至瓶子重 1 牛 頓。 將模型放在桌子的一邊。請助手協助抓住 模型的藍色底座。 將負載掛在抗力臂上的 20mm 軸扣鍵上。

將 彈 簧 秤的刻度鉤穿過施力臂上的每個 孔,從最外面的孔開始向內測量,每次讀 取彈簧刻度。你注意到什麼?


模 型 2-3

第二類槓桿 14

70m

m

三種槓桿 通過改變支點和抗力點 (20mm軸扣鍵)的位置, 將模型轉換為第二類 槓桿。

A.

15

將負載掛在抗力臂上。用彈簧秤重複測量。這次, 抗力臂和施力臂位於支點的同一側。 你觀察到 了什麼?

勾住彈簧秤

第三類槓桿

B. 70m

16

m

A.

17

將負載掛在抗力臂上。用彈簧秤重複測量。同樣,抗 力臂和施力臂位於支點的同一側,但是作用力(彈簧 秤)比負載更接近支點。你觀察到了什麼?

完成!

通過改變抗力點 (20mm軸扣鍵)的位 置將模型轉換為第三 類槓桿。

勾住彈簧秤

發生什麼事?

在第一類槓桿中,負載一側向下的力量通過作

用一側向下的力量抵消。在另外兩種槓桿中, 負載力向下,作用力向上。在三種槓桿中,

你都會觀察到彈簧秤鉤越靠近支點,抬升負 載所需的力就越大。

B.

完成!

8


槓桿,槓桿和更多槓桿 如何完成

模 型 4-7

嘗試組裝以下四種簡單機械。它們都是槓桿。你能弄清楚每一種機構的槓桿類 型嗎?答案在下方。

3

1

2

4

發生什麼事?

施力

槓桿放大施力臂以在負載處提供更大的力。抗力與施力的

大小比率是槓桿的機械優勢 (MA)。這也等於施力臂的長 度除以抗力臂的長度。

施力• 施力臂 = 抗力 • 抗力臂 MA = 抗力 / 施力 MA = 施力臂 / 抗力臂

在槓桿實驗中,您可以看到作用力與支點間的距離越 小,負載感覺更重 -MA( 機械優勢 ) 會降低。

9

1. 第一類槓桿; 2. 第三類槓桿; 3. 第二類槓桿; 4. 多個第一類槓桿

第一類槓桿 施力臂

施力

抗力臂 支點

抗力

第二類槓桿 施力臂

抗力

抗力

第三類槓桿 抗力臂

抗力臂 施力

支點

施力臂 支點


實驗包內的零件 1

2

5

7

x3

x14

x2

x2

14

x2

18

x2

難易度

8

10

x2

x4

11

x3

17

x2

x2

x2

x2

21

x3

x2

24

x1

x2

28

29

30

34

35

x1

x1

x1

x1

x2

x2

m

2

如何完成

25

27

70m

平衡秤

x2

16

20

8

13

15

19

模型

1 3

60m

m

5

4

13

6

7

8 70mm

13 14

15

0m

m

10

完成!

14

9 11 這種平衡秤是第一類槓桿。嘗試在籃子中

放入不同重量的物品同時調整另一側的力 臂長短,使平衡秤仍然維持平衡。

槓桿原理結論:槓桿使提升負載更容易。 當你選擇較遠的距離時,你會得到省力的結果。

10


斜坡

模型

9

傾斜的平面

實驗包內的零件 1

4

8

x16

x2

x2

9

13

x2

x2

17

18

19

x2

x1

x2

x2

26

x1

36

x1

x1

41

42

43

x1

x1

x1

與物體垂直向上 移動一

x2

16

20

斜面是指一側比 另一側高的表

面。當物體沿斜 面向上移動

15

38

x1

39

x1

樣的高度相比, 斜面需

要的力更小。缺 點是物體在斜坡 上移動

40

x1

時必須行進更長 的距離。下圖顯 示了力

如何作用於斜面 上的物體。淨力 ,即將

物體向上移動所 需的

力,小於重力, 即將物

體直接抬升所需 的力。

斜面目的:通過槓桿,您可以看到當力 臂距離增加時,作用力會減小。現在實 驗看看斜面如何做到省力的效果。

如何完成

按照步驟1到8建構斜坡模型。

1 2

繩子:大約 20 公分

夾緊繩子

11

3


模型

4

9

斜坡

5

7

6

100

13

mm

13

8

12


斜坡

模型

9

完成!

9 如在模型 1 中,用水填充瓶子,使瓶子和籃

子 ( 負載 ) 重 1 牛頓。

10 將彈簧秤鉤在負載上,然後用彈簧秤將負載

向上拖移到斜坡上,同時觀察刻度變化。斜 坡如何影響負載所需的力量?

11 用更密集的材料填充瓶子,如沙子、鵝卵石

或金屬硬件,並嘗試在坡道上舉起不同的重 量。你注意到什麼?

發生什麼事

斜坡減少了抬升負載所需的力。

重量會分佈在斜面上。部分重量用於使瓶子沿斜 坡向下滑動,同時另一部分重量將瓶子壓在斜坡 上,重量被斜坡分攤掉。

通過設置一個相等的反作用力來抵抗使瓶子下 滑的力,你可以讓瓶子靜止甚至將它往上拉起。 坡道越陡,這部分的力就越大。若坡道接近垂 直,它所需的力就會近似於重物的原始重量。

反作用力 重量

在此,重物在斜坡上所移動的距離會比實際的 高度差更長,因此可以省力。記得: 功 [ j] = 力 [N]•距離 [m]

反作用力

使用第一節中的模型和彈簧秤,您可以更仔細 地研究它。 重量

13


實驗包內的零件

難易度

1

2

4

5

6

7

8

9

10

11

x10

x16

x2

x2

x2

x2

x2

x2

x3

x4

12

13

14

x3

x2

x2

17

18

x2

26

x2

x1

36

x2

27

x1

38

x1

x1

16

x2

19

x2

25

15

x2

20

22

x2

x1

29

32

x1

x1

可調斜面

模 型 10

該模型是一種複雜的機械,包括滑輪、 輪子和斜面。您可以輕鬆調整斜坡的 角度以進行實驗。

24

x1

33

34

x1

x2

35

x2

39

40

41

42

x1

x1

x1

x1

你會需要 1

繩子:大約 80 公分

3

2

綁在這裡

m

綁在這裡

70m

A.

m

70m

5 13 13

4

14

14

14


可調斜面

模 型 10

B.

6 7

mm

150

9

8

10

12

15

11

13


模 型 10

可調斜面

15 B.

14

60m

m

16

100

mm

17

完成!

18 A.

穿過

插入 100mm II 軸, 將斜面保持在所需 的高度。 19 將斜坡定位在最高的位置 ( 最陡

的角度 )。

重力

作用力

淨力

20 將繩子穿過滑輪後,把車子拉到

斜坡上。需要多大的力量?

21 將斜坡定位在最低的位置並重複

實驗。現在需要多大的力量?

斜面結論:斜面減少了提升負載所需的力量,但這需要將負載移動較長的距離。 作用力

重力

16


輪軸測試

模 型 11-12

實驗包內的零件 1

2

4

6

8

9

10

11

x24

x16

x2

x2

x2

x2

x4

x4

12

13

x4

x2

14

15

x2

17

18

x2

x2

x2

x2

19

x2

21

22

x2

x2

27

29

30

34

35

x2

x1

x2

x2

x2

x2

38

x1

x1

簡單 輪和軸一起形成的 上只是 機械,該機械基本 種情 旋轉的槓桿。在這 點 圍繞中心軸或支 距離, 支點到輪子邊緣的 況 下 ,施 力 臂 是 從 施加 。 到軸邊緣的距離 而抗力臂是從支點 較大 在軸的邊緣處產生 到車子邊緣的力將 輪 的力。或者,以較

16

25

36

輪軸

39

40

41

42

43

x1

x1

x1

x1

x1

慢的速度轉動軸, 則會使車輪子外

緣快速地轉動。

抗力臂

施力臂

輪軸目標:實驗輪軸如何影響移動負載所需的力。

如何完成

按照步驟1至5建構一台由兩 根軸和四個齒輪所組成的簡單 小車。

2

1

4

3

70m

m

70m

m

17

夾緊繩子 繩子:大約 20 公分


完成!

5

模 型 11

輪軸

6 將水倒進瓶子。

7 將彈簧秤鉤在模型的繩環上。觀察彈簧秤

在桌面上拉動小車的刻度變化。

8

完成!

9

完成!

11

拆下齒輪。

10

安裝滑輪。

重複實驗,這次在沒有輪子的 情況下直接拉動汽車底盤,觀 察彈簧秤的力量大小。

用滑輪再次重複模型並觀察彈 簧秤的刻度。 車輪如何影響移動負載所需 的力量?

發生什麼事

輪子降低了在桌面上移動負載所需的力量,在沒有輪子的情況下拉動底盤需要很大

的力道。因為桌面與車架間存在摩擦力,日常生活中最常見的能量消耗就是因為摩 擦力,摩擦力是一種與物體運動方向相反的力 ( 這也是為什麼它總是最為常見 )。 兩個表面接觸時會發生摩擦,即使在看似光滑的表面上,也有很多不均勻的細小

凹凸坑洞,在強大的顯微鏡下看起來就像高山峽谷。當兩個表面相遇時,這些微 小的不均勻坑洞將相互接合、碰撞與推擠。這也就是摩擦力產生的主因。

18


輪軸與斜面

如何完成

模 型 12

2

1

按照步驟 1 到 7 建構一個斜面坡道,讓 小車向上行駛。

A. 3 4 14

13

B. 5

B. B.

150

mm

7 6

19

A.

×2


模 型 12

完成!

輪軸與斜面

滑輪

8 將模型 12 的滑輪小車放在坡道上。

9 將彈簧秤鉤在小車上的繩環上。通過彈簧秤

將小車模型向上拖拉到斜坡上,觀察彈簧秤 上的刻度變化,並與小車在桌面上移動時力 度做比較。

10 拆下滑輪並將齒輪重新組裝到車子上。 11 重複用彈簧秤將小車拉上坡道的實驗,記下結

齒輪

果並將其與小車組裝滑輪時做比較。

發生什麼事

車輪與斜面的組合讓機械可以透過較小的力來拉升負載。由於彈簧秤的精細程度

有限,您可能不容易發現大齒輪與小滑輪之間的差異。彈簧秤的讀數會顯示得很

小,這也展現出輪軸作為簡單機械的效率。而實際上齒輪應該比滑輪更省力,車

輪越大施力臂越長,因此拉動車子需要的力就越小;車輪越小,需要的力就越大。

輪軸結論:輪子和軸就像是圍繞中心軸旋轉的槓桿。車輪越大,施力臂的作用力越 大,機械優勢越高,同時輪的應用還可以減少摩擦力。

20


三種滑輪 實驗包內的零件

模 型 13-15

1

2

4

5

11

15

16

x8

x2

x2

x1

x1

x2

x2

滑輪

滑輪是透過繩索 或鏈條結合輪軸

17

18

19

23

35

x1

x1

x1

x2

x2

36

38

x1

39

x1

40

x1

x2

41

x1

42

x1

不會減少移動負 載所需的力量, 但它可以

改變力的方向, 讓使用者在拉動 重物時更

為便利。

x1

動滑輪減少了拉 升負載所需的力 量,代價

施力點

抗力點

是增加了繩索必 須移動的距離。 懸掛負載

施力臂

施力臂

抗力臂

定滑輪是一個等 臂雙向槓桿,圍 繞支點旋

轉。施力臂和抗 力臂的長度相等 ,因此它

43

施力點

支點

圓周凹槽的方式 運行。滑輪有三

種類型:定滑輪、動滑輪和滑輪組 。

抗力點

的動滑輪在兩根 抗力臂 繩索之間,可以 將使用的

力量減半,但拉 動的距離會加倍 。

滑輪組是定滑輪 和動滑輪的組合 。它改變

支點

力的方向同時做 到省力的效果。 許多滑輪 支點

施力點 施力臂

滑輪的目標:實驗滑輪如何像輪軸一樣做到省力抗力點 的效果。

定滑輪 施力點

施力臂

支點

抗力點 抗力臂

抗力臂

支點

組可以連成一排 形成一個多重滑 輪組,它

抗力臂 可以增加更多機 械優勢。

施力點

施力點 動滑輪 施力臂

支點 抗力點

抗力臂

滑輪組

施力臂 施力點 施力臂 抗力點

施力點 施力臂 抗力點

21

抗力點 抗力臂 施力點 支點

施力臂

支點

抗力點 抗力臂

抗力臂 支點 施力點

支點

施力臂

抗力臂

抗力點


模 型 13-15

如何完成

三種滑輪

按照步驟 1 到 7 組裝三個滑輪模型的組件。

將繩子綁 一個圈

1 夾緊繩子

繩子: 大約 80 公分

將繩子綁 一個圈

A.

mm

35

2 3

4

×2

B.

5

6

7 夾緊繩子

繩子: 大約 20 公分

C.

22


定滑輪

三種滑輪

模 型 13-15

滑輪組

動滑輪 A.

A. A. B.

B.

C.

C.

C.

8 將 水 倒 進 瓶 子, 使 瓶 子 和

11 如圖所示,將配置改為

13 如圖所示,將配置改

9 如圖所示將組件 A 和 C 組

12 用彈簧秤再次拉升負載

14 再次用彈簧秤拉動負

籃子 ( 負載 ) 重 1 牛頓。

裝在一起。請將藍色 5×13 長方框固定在桌子邊緣。

動滑輪。

並測量力的大小。

10 測量用彈簧秤提升負載所

需的力。

為滑輪組。

載並測量力。

施力點

支點

施力臂

抗力臂

抗力點

發生什麼事

定滑輪是一個雙臂槓桿,當它工作時圍繞支點旋轉。它的抗

力臂和施力臂一樣長,因此無法獲得機械優勢。然而,這種滑輪還是有用的,因為它 改變了施力方向。在動滑輪中,施力臂的長度是抗力臂的兩倍,因此作用力減小到僅

為負載力的一半。在滑輪組中,你可以得到定滑輪的施力方向改變同時結合動滑輪省 力的機械優勢。

23

施力點

抗力點


實驗包內的零件

難易度

1

2

4

5

6

7

8

9

10

11

x11

x10

x1

x1

x2

x2

x2

x2

x4

x3

13

14

15

x2

x2

16

x2

20

21

22

x2

x2

x3

x2

x1

x1

x1

27

29

x1

x2

x2

33

34

36

x1

x1

x2

x1

3 2

個電梯模型,利用滑輪 升降架子。

13

26

31

按照步驟1到16組裝一

x2

x2

19

24

如何完成

17

18

23

電梯與滑輪

模 型 16

1

×2 A.

4

5

A. A.

14

24


電梯與滑輪

模 型 16

8

6

60m

m

150

mm

14

7

9

35m

m

10

150

mm

25


模 型 16

13

12

電梯與滑輪 100

mm

14

11 13

完成! 繩子:大約 80 公分

16 15

綁 在 這 裡

綁在這裡

17 轉動曲軸拉起架子。棘輪的裝置僅允許曲軸向單一方向轉動,

可以防止當手從曲軸上移開時架子掉落的情形。 在這個模型中你看到幾種簡單機械?

滑輪結論:滑輪是透過繩索或鏈條結合輪軸圓周凹槽的方式運 行。滑輪可用於改變力的方向並減少提升負載所需的力。

26


楔子

模 型 17-18

實驗包內的零件 1

2

x10

x10

5

7

x1

x1

10

11

x3

x4

16

19

37

x1

x2

x1

13

x1

楔子

楔子是由兩個背 靠背連

接的斜平面組成,它可

以將單向推力轉 為向另

外兩側作用的垂直力。

如何完成 1

如圖所示,將 2 個

5x10 長方框和 2 個

5x5 正方框放在一起。 使用扳手作為楔子將 它們分開。

2

27

×2

現在按照步驟 2 到 7 製作另一個 楔子模型。

楔子目標:用楔子實驗它們如何利用斜面做功。

3


模 型 17-18

4

楔子

A.

將橡皮筋纏繞兩 圈在框架上。

6

37

5

完成!

13

7 將楔子插入由藍色框架製成的測試 模型中。使用楔子會比較容易分離 兩個框架嗎?

發生什麼事

楔子可以輕易地分離實驗中的框架,楔子的作功方式就像是兩個相互背對且黏在一起

的斜面。楔子也被認為是攜帶式的斜面。當楔子插入兩個表面之間,並且對楔子較鈍 的一端施力時,它會將這些力從它傾斜 ( 角度 ) 的表面垂直向外傳遞斜面所接觸的表 面。楔子的機械優勢與其長度和寬度成比例。但就像斜面一樣,為了省力你必須使用 更長的楔子,透過較長距離的移動達到省力的效果。

楔子結論:楔子通過將力分佈在更長的距離上來減少作用力。

28


帶螺絲的夾鉗工作台

實驗包內的零件

模 型 19

難易度

1

2

7

8

9

10

11

12

x6

x16

x2

x2

x1

x3

x4

x2

13

15

x1

16

x2

x1

18

19

x2

17

20

x2

x2

21

x3

25

x1

x1

26

27

28

30

32

x1

x1

x2

x2

x1

螺絲

螺釘是圍繞圓柱 體的傾斜平面。 當轉動螺 釘時,轉動的作 用力會沿著螺釘 長度轉換

成線性的作用力 。做木工時螺絲 可以使釘 子更容易鑽入木 塊中,因為隨著 螺釘的每

次旋轉,螺紋比 螺絲釘尖端移動 得更遠。

同樣,力減小但 距離增加。

螺絲的機械優勢 取決於螺紋之

間的距離,而間 距取決於斜

面相對於圓柱體 的角度。

如何完成 1

螺絲釘目標:用螺絲釘實驗,觀察它們如何像斜面一樣工作。 按照步驟 1 到 11 組裝一個帶螺絲的夾 鉗工作台,展示螺絲的機械優勢。

13

2

4 29

3

mm

70


帶螺絲的夾鉗工作台

模 型 19

5 6

7 9

8

10 12 在夾鉗中放置一個物體,如塑

膠袋或紙巾。

100mm

17

13 慢慢轉動螺絲,擰緊物體周圍

的夾鉗。

發生什麼事

螺絲可以讓你施加很大的作用

11

力來擠壓夾鉗中的物體,同時

150 m

m

減少施力的力道。然而,你必

完成!

須將螺絲轉動很長的距離,這 表示收緊夾鉗需要很長時間。

螺絲的結論:螺絲釘是一個纏繞在圓柱體上的斜面,通過 較大距離的移動來減少作用力。

30


齒輪和變速器

模 型 20-25

齒輪

齒輪不在六種簡單機械之列,但 它通常包含在簡單機械的列表中 ,因為它 們被廣泛使用。齒輪實際上是輪 軸的其中一個版本,齒輪允許它 們嚙合在一起 並相互轉動。

當大齒輪與小齒輪嚙合時,齒輪 的機械優勢是顯而易見的。例如 ,大齒輪轉動一圈將帶 動小齒輪轉動三圈,故較小的齒 輪總是比較大的齒輪轉動得更快 。另一方面,較大的齒 輪比較小的齒輪需要更大的力量 去轉動,所以透過不同齒輪的搭 配,可以 用於將慢速轉動運動變為快速轉 動運動,或是將小的作用力轉換 成大的作 用力。彼此嚙合的多個齒輪稱為 齒輪系或變速器。

齒輪目標:使用齒輪進行實驗,了解它們如何像輪軸一樣作功。

如何完成

1

輪流建構出所示的5個模型。對於每個模型,轉動 曲軸並觀察(1)驅動齒輪(曲軸齒輪)轉動從動齒輪 的次數,以及(2)每個齒輪轉動的方向。

2

3

4

31

5


齒輪和變速器

模 型 20-25

發生什麼事

你建造了一系列齒輪系統。連接到曲軸的齒輪 ( 或輸入力 量的齒輪 ) 稱為驅動齒輪,被驅動齒輪轉動的齒輪稱為 20 齒驅動齒輪 從動齒輪。不同尺寸的齒輪用於增加或減小旋轉運動的 40 齒驅動齒輪 速度或力,稱為扭矩。嚙合齒輪上的齒數關係稱為齒輪 從動齒輪齒數 速度比 = 比,齒輪比表示驅動齒輪轉動從動齒輪的速度或扭矩之 驅動齒輪齒數 20 1 變化。 = = (1:2) 40

實驗包內的零件 2

17

19

20

21

22

x1

x2

x1

x3

x2

x2

23

26

27

29

32

x2

x1

x1

x2

x1

變速器

如何完成

按照步驟 1 至 3 建構齒 輪變速器模型

孔洞 A

1

2

150

mm

2

3

100

mm

35m m 35m

m

完成!

4 轉動曲軸,觀察紫色凸

輪連接鍵。它的移動速 度有多快?

5 嘗試用凸輪連接鍵轉動

齒輪並觀察曲軸。你注 意到什麼?

發生什麼事

該模型中的三組嚙合齒輪都提高了

從動齒輪的速度。當你將它們組 合在一起時,你的速度總共提升

了 18 倍。相反,如果你轉動凸輪 連接鍵則可以增加 18 倍的扭力。

32


旋轉飛機

實驗包內的零件

1

x8

2

4

x14

x6

5

7

x2

x2

模 型 26

8

9

x2

x2

10

11

x4

x4

12

13

14

15

16

x3

x1

x2

x2

x2

17

18

x2

這個有趣的模型 使用齒輪來轉動 旋轉飛機,並且 還展示了旋轉的 動力。

難易度

20

x2

21

x3

x1

22

25

x1

x1

27

28

29

30

31

x2

x2

x1

x2

x1

如何完成 1

3

2

4

70m m

150 mm

6

5 150mm

33

7 13

8


模 型 26

9 10

×2

11 14

A.

CORRELATES TO

NGSS STANDARDS

K-PS2-1 K-PS2-2

×2

B.

12

A.

B. A.

B.

齒輪結論:透過不同齒輪的搭配可以增加或減少輸出軸的速度或扭力。

完成!

預期成果

旋轉飛機

以下為此套件中的模型和實驗與 NGSS 學科核心理念和預期成果相符之處。 學科核心理念 PS2 運動和穩定性:力量和相互作用 PS3 能量 ETS1 工程設計

規劃並進行研究,比較以不同強度或不同方向的推力和拉力,對一物體運動所造成的 影響。 分析數據來確定所設計的解決方案─透過推力或拉力來改變目標物體的速度或方向, 是否符合預期。

K-2-ETS1-1 提出問題,進行觀察,或收集大家的問題,透過開發新方法或工具,或者改良既有方 式,來解決這些問題。 K-2-ETS1-2 研製一個簡單的草圖,例如繪圖或物理模型,來說明如何利用功能解決問題。 K-2-ETS1-3 分析兩個測試目標的數據,在相同問題中比較每個物體的優缺點。 3-PS2-1 5-PS2-1 MS-PS3-2 MS-PS3-5 MS-ETS1-2

規畫並進行研究,提供平衡力和不平衡力對一物體運動的影響。 試證實物體受地球的地心引力是垂直向下的。

研製一個模型來描述當物體排列交互作用發生距離變化時,在系統中所儲存不同總量 的位能。 試著具體驗證當物體的動改變時,能量將被傳入或傳出物件。

使用一套系統化流程來評估參與競賽的設計方案,以判定它們符合問題所要求的標準 及限制程度。

34


遙控農耕機械組

氣壓動能機械手臂

城堡攻防戰

25 模型

6 模型

10 模型

#7447-CN

323 件/ 組

#7411-CN

204 件/ 組

#7406-CN 110 件/ 組

萬能工程車

陀螺儀飛輪機器人

爬牆機器人

8 模型

20 模型

7 模型

#7408-CN

227 件/ 組

#7395-CN 88 件/ 組

#7409-CN

176 件/ 組

創客工程:動能彈力組

創客工程:機械魔獸

創客工程:動能履帶車

5 模型

10 模型

10 模型

#7444

108 件/ 組

#7445

138 件/ 組

#7446

118 件/ 組

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