紙蛇轉出的大學問
初小組 第二名
縣 市：高雄縣
校 名：瑞興國小
作 者：蔡孟辰、孫以倫、顧天衡
指導教師：熊美容、顧錦濤
我們三人都就讀於鳳山市瑞興國小，團體活動時間有同時參加自然科學實驗班，所以比其他同學更有機會接觸到各式各樣的實驗；平常我們花在找資料的時間很長，除了圖書館，電腦教室也是我們研究的重點。
最喜歡的活動就是想辦法追尋前人的腳步，進行相同的實驗，看看是不是能夠得到其他的發現，雖然成功的機會不大，但是我們非常重視一起研究的機會，更希望能結交更多好朋友，一起去研究大自然中的奇奧，分享大家的心得。
關鍵詞：科氏力、佛科擺
壹：研究動機
老師說這整個實驗不僅我們能夠得到很多收穫，就連老師本身也學到很多，怎麼說呢？全班同學進行空氣流動的紙蛇實驗，每個人都發現蠟燭上的紙蛇都是向前轉動，而且全班都得到一樣的實驗結果(有的因為轉動太多圈而會回轉過來的不算)，老師還特別介紹這是科氏力的現象：因為北半球的物體運動都會偏向右邊，所以空氣由下向上流動的時候，會造成紙蛇呈現逆時針的旋轉。
因為實驗很簡單，而且課程又少，所以下一堂課就利用西卡紙來製作不同的紙蛇(有三角形、四方形、……)，但也有不同旋轉方向的紙蛇，結果科氏力現象破功了，這就成為我們科展實驗的導火線！
貳：實驗目的
(一)紙蛇為什麼有固定的轉動方向呢？
(1)不同紙蛇的製作方式，在同一個蠟燭上會怎樣旋轉呢？
(2)用不同的風來吹同一個紙蛇，會有怎樣的旋轉方向呢？
(3)竹蜻蜓在酒精燈上會有固定的轉動方向嗎？
(二)用轆轤來模擬地球上的轉動和移動。
(1)靜止的水盆在旋轉轆轤上的變化：
(2)用滾動的彈珠在轆轤上滾動：
(三)用轆轤來證明離心力的大小。
(四)科氏力的好搭檔-佛科擺的實驗證明。
(1)伽利略的單擺原理會不會在轆轤上失效呢？
(2)利用轆轤來找出佛科擺的轉動方向。
(3)利用轆轤的不同位置來研究佛科擺的擺動週期。
參：實驗設備與器材
(一)紙蛇的製作材料和工具、竹蜻蜓的材料、吹風機、酒精燈和蠟燭。
(二)陶藝教室的電動轆轤、水盆與色素。
(三)單擺與鐵架、測量工具、彈珠與竹筒。
(四)攝影機和支撐架。
肆：研究過程與推論
(一)紙蛇為什麼有固定的轉動方向呢？
(1)不同紙蛇的製作方式，在同一個蠟燭上會怎樣旋轉呢？
結果
當熱空氣由下往上昇時，以順時針環繞製作的紙蛇則會呈現逆時針的旋轉；而逆時針環繞的紙蛇則以順時針方向一直轉動不停；就算一開始繞錯了一兩圈，很快的又會回到應有的方向，而且速度會明顯的加快。
(2)用不同方向的風來吹同一個紙蛇，會有怎樣的旋轉方向呢？
我們自己來設計不同斜面方向的珍珠板竹蜻蜓，底下加些迴紋針增加重量，然後騰空釋放這些竹蜻蜓，並且統計順時針與逆時針旋轉的次數(由上往下看)：
推論與探討
(1)紙蛇旋轉的方向絕對和科氏力無關，而是和本身的構造有關 (2)到底紙蛇的製作設計方式為什麼會影響轉動的方向呢？我們和老師共同分析其中的過程與結構，並經由教授的指正後提出紙蛇旋轉方向的真正原因： 1.隨便選取其中的一小段，這時候是靜止的狀態，所以紙蛇受到的力是平衡的，共有：紙蛇本身的重力、繩子的拉力，而且這兩個力量是一定的，所以紙蛇才會固定不動的停在原地。 2.一下子，受到酒精燈的熱空氣向上推，把紙蛇向上吹送，這時候的力量只剩下熱空氣向上吹的力、紙蛇本身的重力，但是紙蛇的重力一定比熱空氣的上昇吹力還要大，因為紙蛇還是要依靠繩子的拉力。 3.在這一瞬間後，重力比熱空氣的吹力還要多上一點，這個力會把紙蛇往下拉，而就是這個向下拉的力量造成了紙蛇有固定方向轉動的原因，因為這個力量可以分成兩個力量，其中的紅線力量會讓紙蛇一直往下往前轉動；而剩下的力量就被繩子的拉力所拉住。
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(二)用轆轤來模擬地球上的轉動和移動
(1)靜止的水盆在旋轉轆轤上的變化：
將水盆裝半滿水，放在轆轤的中央，在中央點與水盆邊緣之中間滴上有顏色的水滴(要濃一點，這樣才能夠清楚的看到顏色運動和旋轉的方向，而且原先滴的位置要作上記號)，轉動轆轤，觀察這個色水的運動和擴散現象，來假設平靜的海洋在轉動地球上所受到的影響和可能的轉動；並且觀察轉動30秒後，色水從原點向外和向內推進了多少距離。
結果
色水在旋轉轆轤中的運動方向記錄表
結果
色水在旋轉轆轤向內向外擴散的記錄圖。
推論與探討
1 如果沒有色水的話，我們保證大家都會認為轆轤怎樣轉動，水盆中的水就會跟著怎樣的轉動，其實不是這樣的，水盆中的水如果以原先記號來看的話，會發現向內擴散的旋轉前進方向正好和整個轆轆的轉動方向相反，而向外擴散的旋轉前進方向就和轆轆的轉動方向一致。
2 綜合這兩個觀察現象(百試不變)，可以模擬出如果地球北半球中緯度的海水，受到北半球轉動是逆時針方向，則可以知道這個地點的海水會以逆時針的方向帶往赤道，同樣的也會以順時針的方向帶往北極(這個現象和科氏力效應有很大的矛盾，正好產生相反的結果)。
(2)用滾動的彈珠在轆轤上滾動：
結果
直線滾動的彈珠在旋轉轆轤上的行進方向
實驗設備與步驟
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不同地點的彈珠偏移的距離比較 以竹筒來校正彈珠的行進方向，每次施放彈珠要保持一樣的高度，以免有的過快或過慢，以彈珠落點和轆轤中心為標準直線，在落點前五公分擺一根直尺(和標準直線正好垂直)，觀察彈珠滾下時會撞到直尺上的那一點，計算這個點到標準直線的距離(就是偏移距離)：轆轤轉動速度調到最慢、逆時針。
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結果
不同地點彈珠偏移距離的記錄表
彈珠落點 |
最外層(最邊緣) |
第二層 |
第三層 |
第四層(最靠中) |
偏移距離cm |
4.2 |
3.3 |
2.7 |
1.1 |
推論與探討
1 把這個實驗和地球北半球的科氏力現象比較一下，總算可以模擬科氏力的效應和狀況了，從應該呈直線滾動的彈珠來看，結果在逆時針旋轉轆轤上運動的時候都會偏向右邊(如果用順時針來啟動轆轤則會偏向左邊)。
2 愈接近圓心的地方，彈珠偏移的距離就愈小；這個現象就和地球緯度愈大、科氏力的現象愈明顯的地球現象不一致，因為我們是在平面的轉動轆轤上進行實驗，和地球儀的球體不一樣。
3 如果轉動愈快的話，彈珠偏移的距離也就愈遠；這就很符合科氏力的現象。
(三)用轆轤來證明離心力的大小
實驗過程與步驟
左邊的圖就是我們實驗的設計圖，開始的時候先讓單擺停止不動，並且對準實驗規定的位置(轆轤上從外到內共有五條同心圓線，每條線的距離3公分，所以很好量出單擺的法碼距離圓心的距離)，轉動電動轆轤後，等到這個單擺沒有任何不規則的跳動或擺動，觀察單擺偏離原本位置多少距離。
結果
不同位置單擺向外偏移的距離統計表
推論與探討
1 轉動的愈快，單擺法碼向外的距離長度也就愈遠，這個實驗我們只要簡單的用腳踏板慢慢加快轉動速度就可以發現了。
(四)科氏力的好搭檔──佛科擺的實驗證明。
(1)伽利略的單擺原理會不會在轆轤上失效呢？
實驗方法與步驟
1 計算一個單擺(30cm長)的擺動頻率(每分鐘來回擺動幾次)。
2 將這個單擺放在電動轆轤上，法碼對準圓心和邊線的中間(因為對準邊緣線會亂飛，很難計算)，擺動單擺，再開起轉動馬達。
3 計算電動轆轤上擺動的頻率。
4 每個人自己計算每次單擺的擺動頻率。
結果
單擺在不同地方、地方的擺動頻率統計表
法碼距離圓心20cm |
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實驗同學 |
孟辰 |
以倫 |
天衡 |
固定單擺的頻率 |
59 |
58 |
58 |
轆轤上的單擺頻率 |
59 |
59 |
59 |
推論與探討
1 我們每個人對一樣的單擺擺動計算練習了好久，可是正式的實驗時還是不太一樣，這就映證了老師說的“只要有實驗、一定有誤差”。
2 很明顯的可以看出，不管轆轤有沒有轉動(電動轆轤最慢的轉速約為一天259200次，而地球也才一天轉一次)，也不管單擺的位置是對準那裏(太外層的話單擺的擺動不太容易觀察，就好像離心力的實驗一樣會偏向外邊)，擺動的頻率都會一樣。
(2)利用轆轤來找出佛科擺的轉動方向
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結果
單擺在轉動轆轤上的擺動現象記錄表
(3)利用轆轤的不同位置來研究佛科擺的擺動週期。
實驗設備與過程
1 利用上一個實驗的設備和裝置。
2 單擺擺長調整為10cm，法碼對準實驗設計要求的位置。
3 先擺動單擺（對準基準線），起動攝影機。
4 轉動電動轆轤，觀察攝影機下的單擺要擺動幾次，停點（每次擺動的最外一點，從測面看是最高的一點）才會繞一圈。
結果
不同位置佛科擺轉動一圈停點的統計表
電動轆轤以逆時針旋轉、最低轉速 |
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法碼到圓心的距離 |
20cm |
10cm |
0cm |
擺動一圈須 要多少停點數目 |
4.7 |
6.7 |
8.3 |
推論與探討
1 佛科擺愈靠近圓心，它所需要的停點反而比較多才能環繞一圈。
2 這個現象又和地球上的佛科擺停點繞一圈的時間長短正好相反，我們把原因認為是平面轆轤和立體球體的差別。
伍：結論
(一)其實研究紙蛇、竹蜻蜓或風扇葉片轉動方向最簡單的方法，就是觀察哪一個地方最靠近受風面，受風面會撲向風來的風向，這樣就可以很簡單地找出旋轉方向，這個實驗也證明了一點，就是科氏力無法影響紙蛇的轉動方向(紙蛇轉動的方向決定在紙蛇本身的設計方式)，根據資料顯示要像颱風這麼大的旋轉物體才會產生科氏力的現象。
(二)轉動轆轤上的現象有兩種，一種是研究靜止的物體，會發現到跟著轆轤轉動，但是外層的旋轉方向會和轆轤本身的旋轉方向一致，而內層則會有相反的旋轉方向；而另外一種是討論移動中的物體，發現到和科氏力的現象一模一樣，在逆時針旋轉的轆轤上會呈現右偏的方向，在順時針旋轉的轆轤上就出現了左偏的現象；這可以證明地球上的科氏力現象。
(三)電動轆轤能夠讓我們發現離心力的大小，而且很容易測量，根據我們的實驗，愈靠近外層的地方所產生的離心力也就愈大，相反的，如果靠近內側，則會有較小的離心力，哪如果在圓心的地方；則單擺的法碼也不會離開原點，因此圓心的地方並無離心力的現象。
(四)單擺再轉動的轆轤或地球上就會出現佛科擺的現象﹔我們這方面的實驗有三個結果：
1.單擺擺動的頻率(每分鐘擺動幾次)在每個地方(不管距離圓心裡層或外層)都是一樣的。
2.佛科擺除了本身的擺動之外，在旋轉的轆轤上也會產生停點的位置變化，而這些位置變化和轆轤轉動的方向有很大的關係，順時針轉動的轆轤會出現單擺停點的逆時針轉動；而對照地球上來看，北半球的逆時針轉動正好會形成佛科擺的停點順時針轉動變化。
3.佛科擺停點轉動一圈的擺動次數，在旋轉轆轤上來看，愈靠近外層轉圈運動非常的快，靠近裡層就需要多擺動幾次才會回到原來的位置；但這個現象必須要先擺動單擺才會發現，而且和地球上佛科擺與緯度不同所產生的現象正好相反。
陸：參考文獻
(一)老師幫我們從網路上找到的科氏力資料(已經翻譯、裝訂好的資料冊)。
(二)國小三年級上學期的自然課本和習作(空氣的流動)。
(三)愛智圖書所出版的四季圖書小百科(冬季篇150頁的風從哪裡來)。
(四)世一書局出版的新編世界偉人傳記(第七冊伽利略)。
(五)中華兒童百科全書第八冊2774頁的伽利略。
評語
以日常生活易得之器材，說明科氏力之存在，模擬佛科擺之擺動實驗，讓人瞭解地球之自轉存在。作者對主題亦有深入瞭解，實驗設計新穎。
