2013年1月31日

生活科學-運動學-灑水器


一月份是個有涼意的時節,當時隻身搭著火車前往台東參加跨縣市科學創意社群為期兩天的研習。一路上,車廂內充滿著中山大學男女學生們的嬉鬧聲、撲克牌牌局聲、參與學生會及系學會活動風雲的高談闊論聲,使得我本來想休息的計畫被迫終止,拿書出來也看沒幾頁。為什麼記得那麼清楚?因為從在高雄月台上車開始到我在台東池上下車為止,這些既大聲又惱人的干擾一直都沒停過,連一旁的外國乘客也頻頻回頭張望,然而這一群男女學生們也還真的旁若無人,一點也沒意識到自己的自由干擾到別人的自由。

一路上的精神折騰,好不容易到了池上下車,終於可以讓耳根清靜些,聽聽屬於台東夜晚的幽靜聲,的確舒暢多了,站在同一個島嶼卻不常來的這塊土地上,更要把握時間體會這個靜謐的夜晚。

後來科學論壇的夥伴陸陸續續抵達,一同搭民宿老闆的休旅車前往民宿休息。只是見到夥伴們的興奮,又讓明天的分享與較勁提前一晚登場,一場科學論壇的師兄弟聚會,加上曾秋雲老師的分享,直到真的已經半夜了,才各自回房休息,只不過大家仍是意猶未盡,直到兩點多才真正散會。

隔天一大早五、六點我就起床了,想說早點出房門看台東的日出。但當時仍是漆黑一片,所以只好先坐在樹下的吊椅上,邊搖晃邊等待黎明。四周張望時,看到一根矗立在前方廣大草坪上的一根物體,走近一瞧,原來是灑水器。和平常在地面上的灑水器不一樣的是,它高出地面一公尺多。
它的構造很簡單,只要會噴水就好了
但是關鍵在於彈簧的設置,必須使得噴水的方向可以變化

教到運動學中的牛頓第三運動定律,也就是作用力與反作用力定律,總是免不了要提到游泳、划船、穿著溜冰鞋推牆壁、火箭、氣球、直昇機、大砲與槍枝的後座力等等,國中生對這些東西說實在的是很陌生啦!除了氣球以外,國三生有誰會常有機會划船、游泳、玩遙控直昇機,更別說是槍枝和大砲了。

還有些題目會提到灑水器,但是有的版本沒有附圖形,沒有美工底子的理化老師在黑板上便會技窮,以簡單線條組合出來的灑水器真的讓人看不出是什麼玩意兒。又不能為了一個題目,課上到一半就帶學生到操場上觀察,所以既然相機在手,就拍些實物回去吧!
撥開連接上方彈簧的蓋子,蓋子內側是有弧度的
六角形螺母中間有個小孔,這就是水柱噴出的地方

可以觀察到的是,蓋子的形狀並非扁平,而是帶有些許彎曲的弧度,當水柱衝撞到蓋上的弧面時,蓋子會逆時鐘方向旋開,這時候水柱沒有阻礙時,便可以連續噴水。不過,如果考慮到作用力與反作用力,甚至更深一層的動量守恆觀念時,即會發現出水孔的方向也會往順時鐘方向逐漸偏移。當然,水柱有力量作用在蓋子上時,作用力與反作用力才會同時發生。
出水孔旁還有類似撞針(很像美式圖釘)的裝置,也附有彈簧哦

若光靠水柱的衝擊力道也許不足以使旋轉角度加大,但是如果質量較大的蓋子因為彈簧的彈力而回過來撞擊質量較小的撞針時,轉動的效果就會比較明顯,也能讓出水孔以較大的角度一步一步地旋轉著,讓周圍的草坪都能得到水的滋潤。這也是牛頓第二與第三定律的聯合應用,作用力與反作用力相同時,質量較大的物體所得到的加速度較小,而質量較小的物體所得到的速度變化會比較大。
想想看,為什麼蓋子那邊不做全部包覆,是不是考慮了質量分布與分配比例呢

台灣學生的通病是,私底下都可以玩得很開,但是真的要發表意見時卻講不了幾句,因此難登大雅之堂,也難怪李敖之子-李戡說台灣大學生不是他的對手。看到這句話時先別急著反駁,而是要反思自己是否能在同一世代中顯現光芒,並且要敦促拿出實蹟來證明,而非提早進入中年,只剩一張嘴。自動自發地去學習的能力很重要,學問除了「學」以外還要會「問」,學在於用心,但問卻是一種需要培養的能力。滿會招損,但謙卻能受益。

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