遇見科學【跟著伽利略一起搖擺】

很高興桃園市龍安國小《自然美團隊》邀請我幫忙佈置新書展覽的會場,請我設計簡單的互動式科學遊戲給學生,於是正當我在思索該從自然領域哪一方面下手呢? 是生物方面?(要互動的話的確很困難,活體教學其實不容易掌控,而且還會有生命教育的議題)。還是化學好呢?(通常化學為不可逆的反應,常常會讓場地充滿化學氣味或者瓶瓶罐罐不容易善後.......。)

那麼回歸到物理.....物理呢?

突然間自然教室內的標本箱晃動著(原來是地震),直立的標本箱也跟著晃著晃著.......。教室內擺設的單擺持續進行週期性地搖擺,我凝視著來回擺動的單擺,視覺上有種被催眠的感覺。此時伽利略這位重量級的科學家似乎來到我的面前就跟我說了一聲:物理、物理、物理.....。 

『除了落體實驗之外更吸引伽利略的是比薩大教堂的吊燈』
18歲的伽利略在父親的安排下進入比薩大學習醫,在醫學院求學的期間,有天在比薩大教堂裡作禱告,突然發現教堂天花板的吊燈在擺動,他凝視這盞左右擺動的吊燈,右手指按住左腕的脈博,心裏默默的計算燈火擺動的次數,他發現它們之間有固定的關係。

於是伽利略進一步實驗研究單擺的性質,結果發現單擺的長度改變,擺動的週期就不一樣;但是擺錘的重量、擺幅的大小和擺動的週期無關,這就是「擺錘等時性原理」。這發現在當時是一項創舉,其實那時伽利略還不滿20歲。

後來,伽利略再利用擺的原理,製作了一種儀器「計脈器」,可以用來測量病人的脈搏次數。由於有了這樣的發明,以及對數學、物理學的濃厚興趣,因此,大部分的時間,他專心研究歐幾里德和阿基米德的理論,便逐漸荒廢醫學課業,成績相當差,他的父親知道後非常憤怒,不再供給他求學的費用,伽利略只好中途輟學,離開比薩大學。

 

※互動式遊戲一蛇擺與共振擺

★『蛇擺。。像蛇一樣的擺動,簡諧運動中體驗物理之美』

▼蛇擺:步驟一:等間距綁上棉線,再利用下方斜線找出一條讓單擺長度遞減的直線。

 

▼蛇擺:步驟二:在長度遞減的直線上綁上黏土。既然擺錘的重量與週期無關,所以黏土不需等重。


▼蛇擺:步驟三:請學生畫下操作蛇擺的原理與操作方法。

 

 

 

 

 

★『共振擺。。你搖擺完換我搖』

▼共振擺:步驟一:在一條左右固定的線上垂直綁上兩條等長的棉線,並在下方綁住一黑、一紅的黏土。

 


▼共振擺:步驟二:前後方向先擺動黑色黏土的擺錘,會發現黑色黏土擺錘快停下來時,變成紅色黏土的擺錘在擺動,然後持續互相影響著,然後再慢慢靜止。

 


【延伸學習】
★『單擺 →計脈器→鐘擺(時間)』 
日後又有另一位科學家—海更斯根據這個原理,發明了時鐘。
◎荷蘭物理學家惠更斯(Huygens,1629~1695)對單擺有深入的研究。
1656年開始,惠更斯首先將單擺引入時鐘、發明了擺鐘,並發表《擺鐘》(1658)

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