指尖陀螺玩科學-從科學遊戲到探究歷程

資料來源
科學研習月刊57-09

文/謝甫宜
國立高雄師範大學科學教育研究所物理組博士

教師不僅是知識的消費者與傳播者,也可以成為知識的生產者與創造者。本文分享以科學遊戲本位設計生動有趣的指尖陀螺的科學探究活動課程,秉持:「科學遊戲,提供動手玩科學的樂趣;探究歷程,為我們留下思考的痕跡」之理念活化教學,兼顧寓教於樂與增進概念理解。

 現代資訊充裕又講求創課發想的年代,許多曾經風靡一時的玩具,風潮一過便常被束諸高閣或回收,倘若能善用這些玩具的運作機制仍有機會賦予其嶄新的教學應用。例如,最療癒的玩具聖品之ㄧ即「指尖陀螺」,在2015至2017年之間,從國小至高中校園裡幾乎人手一個。筆者根據多年科普教材研製與帶領學童實作活動之經驗,發展與歸納以下兩項科學探究活動提供讀者參考之外,也用以培養學生問題解決能力與科學探究能力。兩項科學探究活動及其相對應的核心概念為:(1)指尖陀螺費納奇鏡探究活動-視覺暫留現象,和(2)指尖陀螺電磁感應探究活動-楞次定律與法拉第定律。

圖1. 宜蘭「陀陀螺工場」的大型指尖陀螺


圖2. 台東新生國中之指尖陀螺設計科學探究活動

 實作材料與實驗步驟

一、指尖陀螺費納奇鏡探究活動

1.實作材料:
鐵製配重的指尖陀螺2個、動畫圖卡、光碟片、強力磁鐵9顆、雙面膠帶。
 
2.實驗步驟:

步驟1. 繪製動畫圖卡,如圖3所示;剪下圖卡再緊密黏貼於光碟片上。
說明:
(1)動畫圖卡因快速轉動可產生連續動畫;
(2)相鄰的每一張圖卡之圖案的動作不宜相差太大。

步驟2. 指尖陀螺各葉片上各吸附3顆強力磁鐵,以下簡稱強磁,如圖4所示。說明:
(1)採用強磁的目的為托高圖卡與指尖陀螺軸承之間的距離、減少摩擦力、也避免指尖陀螺快速旋轉而甩出。
(2)採用強磁而不用膠水或雙面膠帶黏貼圖卡,則是方便更換圖卡。
(3)強磁之間的吸附力甚強,應避免小朋友操作時夾傷。。


圖3. 連續動畫的圖卡


圖4. 指尖陀螺葉片各吸附3顆強磁

早期女性生涯發展理論將女性就業與否作為區分的指標,分為家庭導向與生涯導向,前者從事家管、傳統的女性職業,後者則選擇從事男性主導、較專業的工作,後期較不如此區別,而朝向如何兼顧家庭與工作,以及女性生涯發展歷程的探討為主。

步驟3. 以另外各一顆強磁夾住光碟片吸附在指尖陀螺各對應吸附有強磁之各葉片上,如圖5與圖6所示;

圖5. 強磁吸附夾住光碟片


圖6. 吸附強磁的指尖陀螺作為底座並夾住光碟

步驟4. 以「順時鐘方向」快速轉動黏貼圖卡與光碟片的指尖陀螺,再手持另一顆指尖陀螺使之「逆時鐘方向」旋轉,眼睛透過手持旋轉的指尖陀螺間距來觀察圖卡的圖樣變化,如圖7與圖8所示。


圖7. 以旋轉的指尖陀螺觀察圖卡變化


圖8. 向轉動觀察是否具有動漫成效

說明:
(1)黏貼圖卡光碟片之指尖陀螺的轉動方向,與作為觀察之手持指尖陀螺的轉動方向,兩者採用反向轉動之目的是為產生「相對運動」,觀察者較容易觀察動漫圖片變化之成效。
(2)黏貼圖卡之指尖陀螺與手持指尖陀螺的轉動方向若同向,觀察是否也能看到動漫變化的成效。
(3)若仍不易觀察到圖卡產生連續動漫的效果,可以透過相機或是手機的照相或錄影方式來加以觀察或錄影,因相機或手機的照相功能是需要一段短時間抓取(catching)外界的圖像才會拍攝到照片,可視為讓眼睛所見到的物體運動「變慢了」!亦即相機等於是一張張去抓取拍攝的畫面,如此,在旋轉不算是非常快速的指尖陀螺而言,指尖陀螺所承載的光碟片上之圖卡便能一張張呈現出來,不像是眼睛所見「模糊而難以辨識」!

二、指尖陀螺電磁感應探究活動

1.實作材料:
鐵製配重的指尖陀螺1個、強力磁鐵9顆、鋁箔或錫箔盒、乒乓球,如圖9所示。

圖9. 指尖陀螺電磁感應教材組

 
2.實驗步驟:

步驟1. 鋁箔盒(或錫箔盒)包裹住乒乓球並施壓讓鋁箔盒凹陷,以製作半球狀且底部光滑的鋁箔杯,如圖10所示。
說明:
(1)試著讓鋁箔盒因受壓而凹陷成圓弧狀;
(2)連同鋁箔盒與乒乓球以指尖陀螺葉片尖端來壓鋁箔外皮,使其原本褶皺的外皮光滑圓潤。
(3)鋁箔杯外皮愈光滑圓潤,則稍後在指尖陀螺軸承上轉動時,所受摩擦力愈小,產生渦流時之電阻也愈小,鋁箔杯之轉速也會愈快。

步驟2. 以強力磁鐵各3顆吸附指尖陀螺葉片上,並將步驟1中所製成的鋁箔杯置於指尖陀螺軸承上,如圖11所示。

圖10. 鋁箔盒包裹乒乓球並施壓


圖11. 將鋁箔杯置於指尖陀螺軸上

步驟3. 快速旋轉指尖陀螺,觀察底部為圓弧狀的鋁箔杯運動情形,如圖12、圖13與圖14所示

圖12. 原靜止的鋁箔杯


圖13. 鋁箔杯開始旋轉


圖14. 鋁箔杯轉速變慢

說明:
(1)指尖陀螺旋轉時,先按住鋁箔杯再轉動指尖陀螺,可使鋁箔杯轉動穩定而不會左右搖擺或旋出,如圖15所示。
(2)指尖陀螺平順地轉動後,觀察鋁箔杯隨著指尖陀螺一起轉動的情形,如圖16所示。


圖15. 先按住鋁杯再轉動指尖陀螺


圖16. 觀察鋁箔杯與指尖陀螺一起轉動情形

步驟4. 以不同數量的強力磁鐵控制磁場強弱,觀察鋁箔盒轉速是否改變。

 科學原理介紹

一、指尖陀螺費納奇鏡概念解釋:

「費納奇鏡」(Phenakistoscope)屬於一項演示「視覺暫留」的經典科普活動。教師或家長如作為探究實作活動,筆者提供以下兩項操縱變因的實驗處理方式,可增進學生覺知影響視覺暫留現象的主要成因並進一步量化與探索:

1.承載圖卡之指尖陀螺的轉速
(1)因為本活動以手指撥動指尖陀螺轉動以觀察圖卡的連續變化情形,此轉速雖然不至於太快,卻不易觀察圖卡的動畫效果。透過另外手持轉動中的指尖陀螺葉片之間的縫隙,如同播放卡通的「影格」使得一張張圖卡逐項出現,以產生動畫的視覺暫留成效。
(2)如上述實驗步驟6說明(3),我們亦可藉由相機或手機照相與錄影觀察便能清楚看到動畫般的成效!因為相機或手機的照相功能需要短時間抓取外界的影像拍攝照片,提供眼睛所見物體之運動「變慢」,亦即一張張圖卡的畫面能逐次呈現出來。

2.用以觀察與轉動圖卡的兩個指尖陀螺之間的相對運動
轉動圖卡的指尖陀螺與手持用以觀察圖卡的指尖陀螺,兩者之間轉動的相對運動影響觀察視覺暫留的成效。因此,觀察者可以試著調整兩者各自的轉速,理解並探索在某一特定的轉速範圍中,能清晰地辨識圖卡產生的動漫效果。

二、指尖陀螺電磁感應概念解釋:

本活動以指尖陀螺帶動強力磁鐵之轉動,造成強磁之磁力線通過鋁箔杯磁通量的改變形成「電磁感應」並產生「渦流」,跟著帶動鋁箔杯也隨著吸附在指尖陀螺葉片上的強磁而轉動,如圖17所示。

圖17. 鋁箔杯的電磁感應

根據圖17鋁箔杯的電磁感應,以法拉第定律與楞次定律解釋如下:
1.圖中右下角磁鐵N極離開時,磁通量瞬間變小,靠近磁鐵N極的鋁箔杯則被感應成S極而產生順時鐘的渦流,視為被N極所吸引而順時鐘轉動。
2.圖中左下角磁鐵S極離開時,磁通量瞬間變小,靠近磁鐵S極的鋁箔杯則被感應成N極而產生逆時鐘渦流,視為被S極所吸引而順時鐘轉動。
3.指尖陀螺轉速愈快,強磁轉動愈快,對於鋁箔杯之磁通量變化也愈大。因此,鋁箔杯轉速也隨之愈快。

 概念延伸與生活運用

除了指尖陀螺設計的費納奇鏡與電磁感應,筆者再提供其他素材進行此兩項概念為本位的教材創作,藉此增進讀者在生活上的運用。
首先,將指尖陀螺以快乾膠黏著在放置CD盒或布丁盒的支架上,再將可呈現連續動畫的圖卡以強力磁鐵吸附在圖卡的正面,如圖18與圖19所示。



圖18. 指尖陀螺連同圖卡黏著在支架上


圖19. 圖卡正面以強磁吸附指尖陀螺

將上述整組裝置面對一平面鏡,撥動指尖陀螺快速轉動後,眼睛靠近並從費納奇鏡每張圖卡之間的縫隙觀察平面鏡,如此便能清楚地觀察每一張圖卡產生動漫的成效,如圖20所示!

圖20. 從圖卡之間的縫隙觀察平面鏡中轉動的圖卡變化

其次,我們可以剪裁飲料罐底部來代替鋁箔杯,如圖21所示。從上述「二、指尖陀螺電磁感應探究活動」重複實驗步驟1至3,我們透過觀察可發現鋁罐的底蓋不僅質量比鋁箔杯更大,旋轉時的慣性也較大而不容易被甩出,較厚的鋁蓋所產生的渦流也遠大於鋁箔杯,其旋轉速率大於同樣條件下的鋁箔杯旋轉速率。

圖21. 鋁罐底蓋的旋轉

再者,以鋁合金製的指尖陀螺放置於吸附強磁之鐵製紙尖陀螺的軸承上。當底下鐵製的指尖陀螺快速轉動時,亦可使鋁合金製的指尖陀螺旋轉;反之,先撥動鋁合金製指尖陀螺快速旋轉時,則因鐵製紙尖陀螺所吸附強磁的作用,快速地使鋁合金製指尖陀螺轉速變慢、直到停止!如圖22所示。
此實驗操作說明鋁合金製指尖陀螺的旋轉因有著底下強磁對其產生電磁感應(吸附作用與渦流),即汽車或機車、電梯等日常生活中所運用的「磁剎車的原理」。

圖22. 磁剎車原理的說明

筆者主張科普實作活動可提供學生愉悅與成功的學習經驗,以及提升科學學習動機。這些科普實作活動經妥切地規劃與創意設計,便可成為培養學生高層次推理思考的科學探究課程。
本文從科普實作活動中所設計的探究課程,不僅藉由指尖陀螺的教材製作增進學生對於視覺暫留與電磁感應的概念理解,同時也從改變操縱變因的活動中培養問題解決能力與生活運用。