玩出創意（5）：50個魔法科學實作

1. 袋鼠下坡

有長長尾巴的袋鼠漫步下坡！

器材：飛機木（或珍珠板）、竹籤、細鐵絲、砂紙、線鋸、黏土、墊片

操作步驟與現象

「步行下坡」（ramp walker）是相當古老的玩具，有相當多不同形式的設計，本書前五項就是介紹各式各樣的下坡玩具。首先如圖一的木製袋鼠，沒有外加動力，放在斜坡上不會滑下來，而是前腳、後腳交替的步行下坡，相當有趣。

步行下坡的玩具，結構上都有二個部件（參見圖二）：(1)與身體連結的前腳；(2)能夠轉動的後腳。此外，結構上的共通原則如下：

1.「後重心」原則：物體的重心在前腳的後面。（靠近後腳，但不能超過後腳）

2.「有限轉動」原則：後腳可以往前、往後轉動，但是轉動角度在一定的範圍內：當後腳往前轉動，會碰到前腳而停止；而往後轉動，會撞到木栓（S點）而停止。

3.「腳掌圓弧形」原則：前、後腳的「腳掌」是圓弧形的，不是平的。

4.運動過程的「支點」為腳掌，隨著下坡的運動過程，前腳、後腳交替接觸斜坡，支點也隨之改變。

製作方法

1.首先影印圖三（原始圖形取自參考資料2），袋鼠的身體長度（頭尾），建議不要超過12cm。因為袋鼠太大隻，不容易保持直立平衡，容易翻覆。

2.取約0.5cm厚的飛機木（或是珍珠板），將袋鼠圖形黏貼在飛機木後，再以線鋸裁剪（珍珠板則用保麗龍切割器裁剪），包括身體、二隻後腳。切割完成後，以砂紙將邊緣磨平。

3.以電鑽或尖頭鑽在A、B、C位置挖洞。注意：二隻後腳A、B位置的洞要挖小一點（註：A洞插入竹籤，而B洞插入鐵絲），插入的竹籤與鐵絲是緊緊套牢的狀態，以便二隻後腳可以一起連動。而身體C位置的洞要挖大一點，插入竹籤後，竹籤必須可以自由轉動。

4.將竹籤插入C洞，觀察身體是否「頭高尾低」的翹起來（如圖四），亦即重心靠近後腳。如果不是的話，在尾巴加一點黏土，或是用砂紙將頭部再磨掉一些。

5.二隻後腳的形狀是否對稱，是影響平順下坡的重要關鍵！因此，必須以竹籤穿過A洞，以細鐵絲穿過B洞，將雙腳固定後，用以砂紙將腳掌一起磨平（如圖五），注意腳底要磨到具有圓弧形！

6.組裝時，二隻後腳與身體之間（C洞），需要放置一塊墊片（如圖六），以避免後腳轉動時撞到前肢。

7.孰悉製作方法，並操作成功之後，可以自行設計造型。例如圖七為「恐龍」造型，只要修剪原來袋鼠的上半部與頭部即可。圖七的恐龍以珍珠板製作，並以牙籤代替竹籤。

袋鼠下坡的原理，如圖八，運動過程如下：

1.一開始以後腳為支點，因為重心在支點的右邊，因此袋鼠頭部會朝下運動（尾巴朝上運動），前腳因此會著地。

2.前腳著地之後，前腳成為支點，形成重心在支點的左側。同時後腳因為本身的重量而往下掉（往前腳靠近）。

3.此時由於重心在支點左側，尾巴會朝下、頭部會朝上運動（後重心原則發揮作用！），同時前腳往前（往上）跨出一步。

4.前腳因為跨出一步，支點轉移到後腳，重心變成在支點右側，於是頭部又開始往下（尾巴往上）運動。

以上步驟反覆進行，就形成了步行下坡的現象。

叮嚀的話

完成下坡袋鼠的製作後，首先要調整「斜坡」的傾斜角度，只要細心嘗試，通常都可以找到最佳傾斜角度。而斜坡的材質，避免使用過於光滑的，最好使用摩擦力大的，例如保麗龍板、軟木塞板、木心板等。

過程中經常發生的問題是：無法直線的走下坡，沒有幾步就因為走歪了而停止運動。這個問題的原因，包括以下幾個可能：(1)二隻後腿與身體，沒有垂直平行。例如圖九右側打X的情形，造成的原因是A洞與C洞沒有成為水平線。所以在鑽洞時（由上而下鑽），要特別注意保持一直線，不要歪斜。(2)包括尾巴、後腳與前腳，與地面（斜坡）接觸的切面，凹凸不平。解決方法是使用砂紙將接觸面磨平，或是以少量黏土補平。

上述的問題是各種步行下坡的共通問題，有時調整起來相當費時，建議製作過程不要心急，寧願慢慢的、仔細的裁切、鑽洞、磨平，遠比匆忙製作後再調整，更為省時省力！

2. 紙杯下坡

紙杯如何緩慢走下坡呢？

器材：紙杯、長腳圖釘、保麗龍、竹籤、砂紙、黏土、瓦楞板

操作步驟與現象

以紙杯製作步行下坡玩具，器材更為簡易，而且在斜坡上，紙杯會一開一合的下坡，相當有趣（如圖一）。本設計修改自參考資料1，製作過程如下：

1.首先製作紙杯中央的「瓦楞板」（圖二綠色部分），當為後腳。瓦楞板的寬度要比杯底直徑小約1cm，長度約為紙杯的高度。

2.將竹籤插入瓦楞板的頂端，再貫穿紙杯中央，穿洞的位置大約為紙杯的三分之二高度，完成後瓦楞板必須能自由轉動。此時瓦楞板會超出紙杯的杯底，再以簽字筆在瓦楞板超出杯底約2mm處做記號。然後將瓦楞板取下來，以美工刀切割。注意：切割線務必要平整，否則紙杯下坡時會歪斜！

3.在紙杯兩側分別黏貼二塊保麗龍，以限制瓦楞板的轉動角度。左邊的保麗龍不要超出杯底，而右邊的保麗龍要凸出杯底約2mm（如圖三），而且底部必須為圓弧狀（可用美工刀小心修剪）。

4.最後在紙杯的左側插入長腳圖釘（後重心原則）。完成後，就可以玩看看囉！

第二種下坡紙杯的製作方法，取自許兆芳（2016）的設計，結構更為簡單，成功率也更高。製作方法如下：

1.取一免洗紙杯，將杯底的底部以美工刀割除，成為鏤空狀。紙杯底部對摺壓扁後，再以長尾夾夾住。夾住紙杯後，如果紙杯開口成為扁平狀，則將開口拉一拉，使開口回復為圓弧狀。

2.剪一條打包帶（貨運行用於打包物品的帶子，五金店有販售整捆的），長度要比紙杯略長一些。然後以長尾夾將打包帶夾在紙杯的中央，如圖四。

3.取一圖釘，釘在紙杯背面的下方，如圖五；並修剪打包帶，使打包帶略為突出紙杯約0.2公分（參見圖四）。

完成後，將紙杯放在斜坡上，試試看紙杯是不是一步一步的走下坡呢？只要調整打包帶的長度，以及斜坡的坡度，相當容易成功喔！比起第一個製作方法的紙杯，這個紙杯的步伐比較小一些，但是也相當有趣。

原理

第一個紙杯的下坡原理，和下坡袋鼠一樣，紙杯中央可以轉動的瓦楞板，如同袋鼠的後腳；而杯底的前端就如同袋鼠的前腳。而第二個紙杯，以打包帶取代瓦楞板，由於瓦楞板具有彈性，可以利用下坡的重力位能，轉換為彈性位能，讓紙杯反覆的一開一合的步行下坡。

叮嚀的話

1.由於製作的難易度有差別，第一個紙杯適合國中以上學生，而第二個紙杯，國小高年級學生就可以進行製作。

2.第二個紙杯的背面底部，除了用圖釘當為重物，也可以用一段漆包線綁在長尾夾上面（漆包線朝向後面），或是用膠帶黏貼小塊黏土。

3.如同下坡袋鼠，最容易發生的問題是：下坡時會歪斜沒有筆直行走。原因通常是：(1)第一個紙杯，瓦楞板、保麗龍的底部傾斜不平整。(2)第二個紙杯，打包帶沒有位於中央，或是底部不平整。

4.在教學上，除了指導學生完成製作以及進行調整，可以讓學生探究「重心位置對於下坡的速度有何影響？」，例如第二個紙杯的圖釘再加上一些黏土（或綁上漆包線），會造成什麼影響？變快或變慢？為什麼呢？

3. 人形下坡

類似人形的步行下坡玩具

器材：飛機木、砂紙、鋸子、黏土、棉線、後鈕、小吸管

操作步驟與現象

本實驗取自參考資料1，「人」字形的設計宛如人類的雙足行走，相當有創意。製作過程如下：

1.取厚約0.5cm的飛機木（本實驗不適合使用珍珠板），依圖一的尺寸裁切，總計有四片板子（板子寬約3cm）。註：圖一的尺寸可自行調整，未必要完全一樣。

2.「前腳」的腳掌底部以砂紙磨成圓弧狀，「後腳」也要磨成圓弧狀。

3.在「後腳」板子的中央鑽一個洞，而直立的「身體」的相同位置也鑽一個洞，以便穿過棉線。棉線兩端再綁上一小片吸管固定（參見圖二），以便限制後腳的轉動角度（後腳的轉動角度大約為10度）。

4.將後腳以「後鈕」固定在身體上，注意後腳與前腳的底部，必須為連續弧線（相同高度的圓弧）。註：「後鈕」五金店有售，是用來固定在二片木板，以便旋轉的裝置。剛買來的後鈕，不容易自由轉動，要先用螺絲起子將包覆的金屬片撐開鬆動（如圖三），以便能自由轉動。

5.最上端木板左側以膠帶黏貼一個重物（磁鐵、螺帽或是墊片都可以），使重心落在後腳。完成後，放在斜坡上，試驗是否能一步一步的走下坡。

原理

「下坡行者」的原理，如同前述的下坡袋鼠、下坡紙杯。運動過程如下（參見圖四）：

1.一開始以後腳為支點，身體以順時針方向轉動（因為重心在支點右邊），前腳因而著地。

2.前腳著地後成為支點，重心變成在支點的左側，同時後腳因為本身的重量而往下掉（往前腳靠近）。

3.此時由於重心在支點左側，開始逆時針轉動（後重心原則發揮作用！）。

4.轉動後，前腳因為身體轉動而「跨出一步」；同時支點轉移到後腳，重心變成在支點右側，又開始順時針方向轉動。

以上步驟反覆進行，形成了步行下坡的現象。

叮嚀的話

1.本操作的製作與難度，比下坡袋鼠略為簡易，比較關鍵的步驟是後腳的製作，包含長度以及轉動的角度。後腳的長度不可以比前腳短，否則無法成為步行過程的支點。而轉動角度，以棉線的長短控制，棉線太長，後腳會轉動得過於後面，導致步伐過大；而棉線太短，則步伐太小，容易停止運動。

2.在最上面木板放置的重物，除了調整數量或種類之外，也可以調整重物的位置（往前或往後移動）。

3.本設計如果實施與教學，建議國中以下學生以半成品的方式，讓學生完成製作。國中以上則可以讓學生裁切飛機木，自行完成組裝。

1. 袋鼠下坡

有長長尾巴的袋鼠漫步下坡！

器材：飛機木（或珍珠板）、竹籤、細鐵絲、砂紙、線鋸、黏土、墊片

操作步驟與現象

「步行下坡」（ramp walker）是相當古老的玩具，有相當多不同形式的設計，本書前五項就是介紹各式各樣的下坡玩具。首先如圖一的木製袋鼠，沒有外加動力，放在斜坡上不會滑下來，而是前腳、後腳交替的步行下坡，相當有趣。

步行下坡的玩具，結構上都有二個部件（參見圖二）：(1)與身體連結的前腳；(2)能夠轉動的後腳。此外，結構上的共通原則如下：

1.「後重心」原則：物體的重心在前腳的後面。（靠近後腳，...

從2009年出版第一本《玩出創意》系列叢書，到2018年出版本書，前後經歷了十年，總計五本書網羅了350個科學實驗。

十年來，一直持續上網搜尋趣味性、驚奇性以及器材簡易的實驗。除了第一本書的實驗是學生做的，其他四本書的有實驗都是親自親為，包括拍攝、圖文編寫、影片剪輯。回顧整個歷程，算不上酸甜苦辣，因為我樂在其中，「玩」得很開心。本書印象中最深的有：

一直覺得難以操控的「下坡玩具」，終於抓到訣竅，集結為六個單元；

在游泳池邊蹲到腳痠腿麻，只為了看「孿生渦流」久久不散；

失敗不下十次，差點放棄的「無動力水泵」終於運作成功；

發明用氣球演示的「水錘效應」，手舞足蹈；

水珠不會消失的「跳舞水珠」，發現原來不必用文獻中說的矽油；

困惑多年的「喜瑞爾效應」終於解決，也發明了器材簡易到不行的實驗；

解開了國外玩具「密碼解碼器」的製作方法，成本低廉；

重溫兒時記憶，寫成用橘子皮抽絲的「橘子皮的奧秘」。

......

自然界中好玩的、令人驚異的現象，本來就很多，不需要天縱英明，也不需要冰雪聰明，只需要好奇心和赤子之心，就可以好好玩味與品嚐自然現象的樂趣。而這份樂趣，永遠都圍繞在你我身邊！

最後，感謝家人的支持以及科技部多年來的經費補助，助理吳映辰的實驗協助，還有臨時被我徵召到實驗室幫忙攝影的多位學生。

從2009年出版第一本《玩出創意》系列叢書，到2018年出版本書，前後經歷了十年，總計五本書網羅了350個科學實驗。

十年來，一直持續上網搜尋趣味性、驚奇性以及器材簡易的實驗。除了第一本書的實驗是學生做的，其他四本書的有實驗都是親自親為，包括拍攝、圖文編寫、影片剪輯。回顧整個歷程，算不上酸甜苦辣，因為我樂在其中，「玩」得很開心。本書印象中最深的有：

一直覺得難以操控的「下坡玩具」，終於抓到訣竅，集結為六個單元；

在游泳池邊蹲到腳痠腿麻，只為了看「孿生渦流」久久不散；

失敗不下十次，差點放棄的「無動力水泵」終...

力的科學實作
1.袋鼠下坡
2.紙杯下坡
3.人形下坡
4.小雞下坡
5.搖擺下坡
6.振動下坡
7.一柱擎天二部曲
8.天平的奧祕
9.迴轉陀螺
10.慣性與摩擦力
11.彈跳玩具
12.螞蟻吊大象
13.螺帽魔術
14.反向單擺的奧祕
水的科學實作
15.水錘效應
16.無動力水泵
17.水鐘與水幕
18.希羅噴泉
19.沙漏沉浮子
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21.酒的眼淚
22.跳舞水珠
23.薄膜指紋
24.孿生渦流
25.白板筆的奧祕
26.喜瑞爾效應
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