玩出創意（3）：77個奇趣科學玩具

得獎紀錄：本書獲選2015文化部第37次「中小學生優良課外讀物」

1.不出軌的輪子

不需要控制，會自己轉彎的輪子！

器材：橡皮塞、牙籤、電線、熱熔膠

操作過程與現象

汽車用方向盤控制輪子方向以進行轉彎，火車沒有方向盤，主要是靠鐵軌導引來轉彎，因此火車的輪子設計就很重要。如果不仔細觀察，火車的輪子看起來好像是平的，但實際上不是平的喔！為什麼火車的輪子不是平的呢？讓我們來實驗一下不同形狀的輪子，在轉彎時有何差別？

圖一有甲、乙、丙三種輪子；甲是平的輪子（以圓筒塑膠管代替）；乙和丙是用牙籤當車軸軸心，插入橡皮塞當車輪，乙是內緣小、邊緣大的輪子；而丙反過來是內緣大、邊緣小的輪子。

鐵軌以高壓電電線（高度較高，一般電線太小）用熱熔膠黏貼在木板上。製作好彎曲的鐵軌後，稍微墊高，成為斜坡，再將甲、乙、丙三種輪子分別放在鐵軌上自由滾動（如圖二），觀察三種輪子是否能夠在鐵軌上自動轉彎，而不會出軌？

由實驗結果可以發現只有「丙」可以在鐵軌上轉彎，甲和乙都很容易出軌！

因此火車為了增加轉彎的穩定性，火車輪子的實際構造（如圖三、圖四），類似丙的結構，輪子的內緣略大於外緣。

原理

原理如下圖。由軌道起點A經過左彎（讀者的左邊）的彎道到B時，軌道會偏到輪子的右邊；此時平筒式的輪子「甲」因為維持原來運動方向而出軌。至於「乙」的輪子，在B點時由於軌道偏到輪子的右邊，因此整組輪子會左傾，反之「丙」的輪子是右傾。由於重力（即重量，紅色箭頭）朝下，使得已經傾斜的乙、丙輪子，都有一個f1的分力（藍色箭頭）。而乙輪子的f1分力朝左，此分力使乙輪子繼續往左偏，因此容易使輪子脫離軌道。而丙輪子的f1分力朝右，此分力會使丙輪子往右偏移，幫助輪子回到軌道中央，因此丙輪子就比較不容易出軌。

除了以分力解釋，也可以由輪子「轉動圈數」的差異來解釋（角速度差異）。例如乙輪子在B點時，軌道與左邊輪子的接觸點接近內側，而與右邊輪子的接觸點接近外側，因此乙輪子滾動星同距離時，左邊輪子滾動的角度較大（因為輪子內側圓周長較小），右邊輪子滾動的角度則較小，因此乙輪子傾向於往右滾動，容易在B點出軌了。反之丙輪子傾向於往左滾動，在B點就不會出軌了。

叮嚀的話

1.整體軌道的傾斜角度不能太大（不要墊太高），以避免輪子的滾動速度過快，使得因為慣性造成所有輪子都會出軌。另一方面，軌道可嘗試製作為S形，以增加趣味性。

2.教學時，如果學生是國中以上程度，可以指導學生討論以下問題：(1)輪子減少摩擦力（例如輪子貼上光滑的膠帶），對於防止輪子出軌，是有利因素還是不利因素？又有何優缺點？參考解答：輪子越光滑，摩擦力越低，可以讓丙輪子在轉彎時，傾斜的輪子更容易回到軌道，有利於避免出軌。但是輪子如果太光滑，與軌道的摩擦力太小，又容易造成抓地力降低，輪子容易空轉的缺點。(2)軌道與輪子的摩擦力與f1或f2有關呢？參考解答：f2提供了摩擦力的正向力（正向力越大摩擦力越大）。

2.以杯取珠

動動腦，如何讓玻璃珠跑到杯子裡？

器材：窄口玻璃杯（或塑膠杯）、玻璃珠

操作過程與現象

桌上畫一直徑約十公分的圓圈圈，中央有一玻璃珠（直徑0.5～1.5公分皆可），以及一窄口玻璃杯（杯口小於杯身），如圖一。向學生或觀眾提出問題：不可以使用其他工具（例如吸塵器、吹風機…等），如何讓玻璃珠跑到玻璃杯內（如圖二）？

規則1. 雙手只可接觸玻璃杯，身體任何部位都不可以碰觸到玻璃珠。

規則2. 玻璃珠不可以離開圓圈圈。

規則3. 玻璃杯不可以有破裂、損壞的可能性。

對著玻璃珠吹氣？用玻璃杯撞玻璃珠，讓玻璃珠彈起來？前者無法成功，後者可能讓玻璃杯破掉，違反規則喔！

聰明的讀者動手、動腦試看看。

解答

秘訣在於利用旋轉！操作時，將玻璃杯杯口蓋住玻璃珠之後，開始旋轉，讓玻璃珠在玻璃杯內旋轉。旋轉得越快，玻璃珠就會沿著杯緣上升。

持續旋轉玻璃杯，讓玻璃珠在杯子內旋轉，再慢慢的將玻璃杯杯口朝上（注意：過程中必須持續旋轉玻璃杯），玻璃珠會保持在玻璃杯內旋轉，不會掉出來。在杯口朝上後，停止旋轉，就能成功的將玻璃珠放在玻璃杯裡了。

原理

為什麼杯子旋轉玻璃珠時，玻璃珠會往上跑？

原理如下圖，當玻璃珠在杯子內旋轉時，杯壁給予玻璃珠一作用力F（紅色箭頭），方向為垂直於杯壁並略朝上（因為杯壁是斜的）。作用力F可分解為二作用力（綠色箭頭），一為指向玻璃杯中心（圓周運動中心）的f1，一為略為朝上的f2（f1與f2互相垂直）。f１為使玻璃珠進行圓周運動的向心力；而分力f2方向朝上，可以抵抗朝下的重力（玻璃杯的重量）。

如果旋轉速度增加，會使向心力f1增加（旋轉半徑會增加），同時f2也增加，玻璃珠就會往杯子上緣爬升了。如果杯子是垂直而不是斜的（例如平整的平口杯），則沒有f2分力，玻璃珠只會沿著杯壁旋轉而不會上升，因此這個科學玩具必須用窄口杯（杯口小於杯肚）才能成功喔。

叮嚀的話

1.在使用於教學時，建議使用塑膠杯，不要使用玻璃杯。因為學生在試驗時，經常會敲破玻璃杯。

2.有時學生會以杯子快速輕敲玻璃珠，讓玻璃珠彈進杯子，這也是一種解題方法，可以給予肯定。但是提醒說明這個方法不能使用於玻璃杯，有沒有更安全的方法呢？

3.指導國小學生時，建議不必提到「向心力」，以作用力來說明即可。國中以上學生可以說明向心力，而且可以討論：玻璃珠施於杯壁的作用力與旋轉速度的關係。

1.不出軌的輪子

不需要控制，會自己轉彎的輪子！

器材：橡皮塞、牙籤、電線、熱熔膠

操作過程與現象

汽車用方向盤控制輪子方向以進行轉彎，火車沒有方向盤，主要是靠鐵軌導引來轉彎，因此火車的輪子設計就很重要。如果不仔細觀察，火車的輪子看起來好像是平的，但實際上不是平的喔！為什麼火車的輪子不是平的呢？讓我們來實驗一下不同形狀的輪子，在轉彎時有何差別？

圖一有甲、乙、丙三種輪子；甲是平的輪子（以圓筒塑膠管代替）；乙和丙是用牙籤當車軸軸心，插入橡皮塞當車輪，乙是內緣小、邊緣大的輪子；而丙反過來是內緣大、邊緣...

小時候很頑皮好動，童年時沒有上補習班，而是在和玩伴玩彈珠、橡皮筋、打瓶蓋中度過。民國五０年代時台灣沒有樂高玩具，更沒有反斗城，想玩玩具就得自己做。印象最深的是偷家裡的筷子做竹筷槍，被老媽發現後海扁了一頓。

隨著生活水平提高，現在小朋友的玩具幾乎都是用買的，市場中有各種不同的玩具，非常多樣性。但是以「科學玩具」而言，國外產品多於台灣自行生產，而且售價並不便宜，五百元以上比比皆是。

在出版了《玩出創意：120個創新科學遊戲》以及《玩出創意2：48個科學魔術》之後，一直在思考科學玩具只能花錢買嗎？如果能自己製作，不是更好玩？更有教育意義？而且隨著網路的發展，國內外介紹科學玩具的網路資料相當豐富，但是缺乏整合性的介紹與說明。

在寫作本書的過程，實驗與資料蒐集花了最多的時間，有七成以上的時間是花在「實作」而非「寫作」。在這期間獲得不少的資訊與協助，例如大橋國中王德麟老師（科學玩具柑仔店部落格版主）、佳興國中陳坤龍老師、國立高雄師範大學周建和教授、國立台灣科學教育館許兆芳先生、同事葉聰文教授以及盡責的助理陳偉莉小姐，而科技部的經費補助、五南圖書出版公司的支持以及家人的鼓勵更是本書能夠完成的最大動力。

最後，本書整理的科學玩具的器材，都相當容易取得，希望讀者在使用本書時，避免只是閱讀，而是起而行準備器材，師生或親子一起實作，並動腦思考叮嚀的話中提出的各種問題，享用科學玩具的奧妙與樂趣。

小時候很頑皮好動，童年時沒有上補習班，而是在和玩伴玩彈珠、橡皮筋、打瓶蓋中度過。民國五０年代時台灣沒有樂高玩具，更沒有反斗城，想玩玩具就得自己做。印象最深的是偷家裡的筷子做竹筷槍，被老媽發現後海扁了一頓。

隨著生活水平提高，現在小朋友的玩具幾乎都是用買的，市場中有各種不同的玩具，非常多樣性。但是以「科學玩具」而言，國外產品多於台灣自行生產，而且售價並不便宜，五百元以上比比皆是。

在出版了《玩出創意：120個創新科學遊戲》以及《玩出創意2：48個科學魔術》之後，一直在思考科學玩具只能花錢買嗎？如果能自己...

力的科學玩具
1. 不出軌的輪子
2. 以杯取珠
3. 交替盪鞦韆
4. 吸管風車
5. 滾球大賽
6. 怪怪球
7. 懸崖勒馬
8. 環與棒的共舞
9. 跳跳蟲
10. 超彈性球
11. 聽話螺旋槳二部曲
12. 爬樹猴
13. 懸浮轉子
14. 爆走毛刷
水的科學玩具
15. 彈跳泡泡
16. 泡泡拔河
17. 變形星星
18. 吸管幫浦
19. 乒乓陀螺
20. 噗噗船
光的科學玩具
21. 牛奶的色散
22. 箭頭隨身變
23. 魔鏡
24. 奈米碳的奧秘
25. 碟影之舞
26. 碟片彩虹
27. 塑膠彩虹
視覺的科學玩具
28. 反重力斜坡
29. 奇妙視幻覺
30. 懸浮方塊
31. 奇幻魔術方塊
32. 魔幻轉輪
33. 波動現形記
34. 魔幻動漫
空氣的科學玩具
35. 冷水沸騰
36. 漂浮陀螺
37. 風力環
38. 蘋果大力士
39. 空氣火箭
40. 翻滾紙翼
41. 翻滾紙翼二部曲
42. 空中騎士
聲音的科學玩具
43. 聲音看得見
44. 音波管
45. 毛根愛跳舞
46. 雷聲筒
47. 聲音與水的共舞
48. 竹蟬
49. 吸管風笛
50. 聲音幾何圖
51. 自製樂器
電磁的科學玩具
52. 磁轉玩具
53. 磁轉玩偶
54. 磁力玩具
55. 轉不停陀螺
56. 浴火鞦韆
57. 法拉第馬達
58. 富蘭克林馬達
59. 磁鐵動力車
60. 漂浮風車
61. 磁力砲彈
紙的科學玩具
62. 陰陽方塊
63. 掌中風車
64. 新紙砲
65. 紙片跳扭扭
66. 遁走紙彈簧
67. 紙陀螺
其他科學玩具
68. 方塊之謎
69. 火柴玩具
70. 火柴謎題
71. 迴紋針爬樓梯
72. 瞬間移位
73. 隔空點火
74.彈性球
75.磁性異形
76.奇妙的層流
77.溫差引擎
附錄
1.闖關科學遊戲建議
2.科學玩具的設計與整合

力的科學玩具
1. 不出軌的輪子
2. 以杯取珠
3. 交替盪鞦韆
4. 吸管風車
5. 滾球大賽
6. 怪怪球
7. 懸崖勒馬
8. 環與棒的共舞
9. 跳跳蟲
10. 超彈性球
11. 聽話螺旋槳二部曲
12. 爬樹猴
13. 懸浮轉子
14. 爆走毛刷
水的科學玩具
15. 彈跳泡泡
16. 泡泡拔河
17. 變形星星
18. 吸管幫浦
19. 乒乓陀螺
20. 噗噗船
光的科學玩具
21. 牛奶的色散
22. 箭頭隨身變
23. 魔鏡
24. 奈米碳的奧秘
25. 碟影之舞
26. 碟片彩虹
27. 塑膠彩虹
視覺的科學玩具
28. 反重力斜坡
29. 奇妙視幻覺
30. 懸浮方塊
31. 奇幻魔術方...