#7395R-CN

ROBOTICS 機 器 人 系 列

# 7395R

陀螺儀飛輪機器人

Mini Gyro

8+ 88 20 年齡

數量

模型

› › › 目錄 目錄 ......................................................1 方法和訣竅 ......................................... 2

重要訊息 ............................................ 5 神奇的陀螺儀 ..................................... 6

資訊。

陀螺效應 ............................................. 4

陀螺儀介紹 平衡的陀螺 ......................................... 7 當陀螺儀遇見陀螺 陀螺儀的力量 ..................................... 8 探索更多的陀螺儀效應 旋轉機器人 ........................................ 10 旋轉吧 ! 動量 .................................................. 12 平衡的機器人 ................................... 13 摩擦力和慣性的介紹 拉條式陀螺機器人和軌道 ................ 14 構建一個使用陀螺儀和飛輪引擎的模型 在軌道上移動 其他類型的軌道 ................................ 17 街舞舞者 .......................................... 23 探索角動量 會頭轉的街舞舞者 ........................... 25 角動量守恆定律 飛輪 .................................................. 28 摩托車 .............................................. 29 飛輪介紹 三輪摩托車 ....................................... 31 其他的飛輪實驗

1

小提示 !

27 和 你可以從第 9, 22, ”說明 站 33 頁的”知識補給 補充 中，找到更多相關的

實驗包內的零件 ................................. 3

› › › 方法與訣竅 陀螺儀的使用 :

組裝技巧

此陀螺儀主體共有八種插槽可供齒條插入 驅動。 使用時，一次只能插入一個齒條來驅動。 請注意，須依陀螺儀上下部分所標記的方 向插入齒條。 陀螺儀轉動時，請勿將齒條插入插槽。

結合鍵和連接的零件

請注意這些不同的組裝零件。 藍色短結合鍵、紫色軸扣鍵、紅色自轉軸鍵和紫色 30mm 圓管，乍看之下都非常相似。但當你在組裝 模型的時候，請務必確認你使用的是正確的那個零 件，這是非常重要的！

方框和長條 使用結合鍵來連接方框 和長條。

板手 當你想再次拆解模型時，你將會需要使用到板手。 操作板手時，板手的窄端面可以用來拔除結合鍵。 你也可以使用板手的寬端面來撬出自轉軸鍵。

飛輪引擎的使用 橡膠環輪是環輪驅動器，它是讓車子能夠 移動的主要原因。 而環輪正是藉由裝置內的飛輪來驅動的。 飛輪引擎裡有六個可插入齒條的插槽，一 次只能插入一條齒條來動作。 切勿在飛輪運轉時插入齒條。 請嘗試將齒條插入不同的插槽來驅動驅輪， 觀察在每個插槽下驅動輪轉動的路徑及車 輛移動的方向。 2

實驗包內的零件 1

2

3

4

5

6

7

×19

×3

×1

×1

×2

×6

×3

13

×1

8

×4

9

10

11

12

×4

×2

×2

×2

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15

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17

18

19

20

21

×1

×1

×2

×1

×1

×5

×3

×3

22

23

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27

25

×4 ×2 26

×2

×2

×1

29

30

28

31

×2 ×2

×1

×4

×1

清單 : 找零件 - 檢查 - 核對 號碼

3

數量

品號

1

B- 短結合鍵

描述

19

7344-W10-C2B

號碼 17

C-6 凸90 度旋轉軸

描述

2

C- 軸扣鍵

3

1156-W10-A1P1

18

3

B- 圓錐顆粒

1

7128-W10-E2TB

19

4

B- 圓點顆粒

1

7128-W10-E1TB

5

C- 自轉軸鍵

2

6

C- 二合一結合鍵

6

7

C-30mm 圓管

8

C-5 孔長條

9

數量

品號

1

7395-W10-E3TD

C-5 孔超長條底無孔

1

7026-W10-S2D

C-3 孔圓角長條

5

7404-W10-C1D

20

C-3 孔圓角長條

3

7404-W10-C1G2

7026-W10-H1R

21

C-3 孔長條側有孔

3

7026-W10-X1D

7061-W10-G1P

22

C-7 孔圓角扁長條

2

7404-W10-C3G2

3

7400-W10-G1P

23

C-7 孔圓角長條

2

7404-W10-C2G2

4

7413-W10-K2D

24

B- 扳手

1

7061-W10-B1Y

C-3 孔1/4 弧長條

4

7061-W10-V1D

25

C-3x13 孔超長方框

2

7406-W10-A1D

10

C- 雙向轉接鍵

2

7061-W10-J1D

26

C-4 孔曲型條

2

7395-W10-E1TD

11

C- 單向轉接鍵

2

7061-W10-J2D

27

C- 弧形軌道

4

7395-W10-F1

12

C-OD23mm 滑輪

2

7344-W10-N3G

28

C- 斜坡軌道

4

7395-W10-F2

13

C-A 型頭( 前)

1

7396-W10-G1TD

29

C-Mini Gyro 主體

1

7395-W85-A

14

C-A 型頭( 中)

1

7396-W10-G2TD

30

C- 飛輪組

1

7395-W85-B

15

C-A 型頭( 後)

1

7396-W10-G3TD

31

C-265mm 齒條

2

7395-W10-D1D

16

C-3 孔側蓋

2

7395-W10-E2TD

陀螺效應 旋轉的陀螺如何能在一個點上保持平衡呢？當你轉動你的手機 螢幕時，你的智能手機如何知道方向的轉變？這兩件事情都歸 因於陀螺儀和陀螺力量的作用。 在接下來的實驗中，你將會探索陀螺儀如何運作以及陀螺儀在 許多不同方面的運用。

陀螺儀的各部位介紹 轉軸

陀螺儀是一種轉動的輪子或 轉盤，它在以一種特定的方

框架

式安裝後，便可以自由轉動

轉盤

和在任何方向運動。這種輪 子或轉盤通常是被安裝在兩 個環內，並可自由地在三個 方向旋轉。 陀螺儀就像是陀螺一樣，在 一個框架內的軸上轉。陀螺 儀的發明，原本是用來幫助 科學家研究地球自轉的工

平衡環架

具，然而在今日，陀螺儀被 廣泛運用於羅盤、飛行儀表 和穩定裝置上。

4

› › › 重要訊息 安全警示 !

各位親愛的爸爸、媽媽：

>>> 注意！此產品不適宜 3 歲以下孩童

物理，其實是一種吸引人又富含多樣性

小零件有窒息危險，請勿吞食或吸入。

而且不難理解的科學，特別是當你運用

>>> 此包裝內含會轉動的零件。請避免

這些有趣的模型來演示物理原理時，可

手指，頭髮，身體其他部位或細微物品

以從中藉由很多的趣味性，來幫助我們

，靠近正在轉動的物件以免被轉動的零

了解每天都會遭遇到的各式各樣物理現

件捲入造成傷害。請小心操作模型。

象，並且讓我們學以致用。

>>> 當陀螺儀及飛輪引擎轉動時請勿觸

您可以藉由組裝我們這組實驗套件和活

碰。

動模型來向孩子介紹物理概念，包括能

>>> 內含重要訊息，請保持包裝和說明

源、運動和動力。並藉著這些豐富的簡

書的完整。

單範例，讓孩子們取得進入物理學和物

>>> 實驗材料和裝配的模型須存放在幼

理法則的基本概念，而這些將來都會幫

童接觸不到的地方。

助孩子們在學校所教授的課程中有更深 的理解和參與。 這個個人的實驗模組是使用可調整式的 積木系統來一步一步完成組裝的。因此 剛開始組裝時，是需要一點點的練習和 耐心。如果他們在組裝模型的過程中遭 遇困難，請適時給予協助，孩子們將會 特別高興。 我們有一些實驗會需要用到您家庭中常

我們衷心期盼您和您的孩子能在組裝

見的物品。請您幫助您的孩子一起來選

模型及實驗中，發現、學習並獲得更

擇這些物品吧 !

大的樂趣！

我們衷心期盼您和您的孩子能在組裝模 型及實驗中，發現、學習並獲得更大的 樂趣！

5

模型

2

6

7

10 x

1 x

2 x

2 x

24

神奇的陀螺儀

使用步驟

你所需 要的零件 1

1

11

19

21

2 x

5 x

3 x

29

跟著

23

1

至

7

的步驟來組裝陀螺儀的

模型。 8

2 x

將齒條插入陀螺儀側邊的插槽內。

快速且大力的拉抽齒條以轉動陀螺儀。

31

用你的手控制住陀螺儀並將其上下翻轉 1 x

來轉動。

1 x 1 x

9

讓陀螺儀從這側轉動到另一側，而

這兩側就是陀螺儀中的轉盤正轉和逆轉 的方向。 請試著用陀螺儀的角端來做平衡。

2

1

3

翻轉

4

5 6

x2

7

新知大探索 你有感受到立起陀螺儀是多麼地費力嗎？在這個實驗 中，你會更進一步了解陀螺儀效應。當一個物體 (在 這裡稱為「轉盤」)轉動得非常快時，就會出現這種 效應。在你轉動陀螺儀時所感受到的力量，也就是 陀螺儀之所以能維持在轉盤軸上旋轉的力量。而這 種無形的線性運動也是轉盤轉動的原因。

6

平衡的陀螺 模型 2 你所需 要的零件

1 2

1

3

6

6 x

1 x

1 x

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1 x

1 x

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1 x

29 31

2 x 1 x

2

1 x

3

使用步驟 跟著

1

到

4

的步驟來組裝模型。首先，先來

組裝底部的紫色 2 合 1 結合鍵。 5

將一條齒條放置於桌面上。

插入另一條齒條於陀螺儀內。用力的拉動齒條 使陀螺儀旋轉。 6

把陀螺儀放置在第一條齒條上。然後用雙手

將齒條提起懸空。

4 7

你可以讓模型在齒條上保持平衡嗎？ 7

將紫色二合一結合鍵換成圓錐顆粒，來使轉

動的陀螺儀變成陀螺吧！

新知大探索 「引力」是物體間相互吸引的力量。 物體的質量越大，引力越大。地球的引力對於我們有極大的影響。因為對於 我們來說，地球的引力是如此的巨大！地球的引力會將所有鄰近地球的物體 向它的重心拉近。 旋轉的陀螺是因為陀螺儀效應才能夠保持平衡，而這個原理是在說明：除 非是受了外力的影響，否則旋轉的物體會趨向於保持在它旋轉的平面上。 陀螺儀效應能與引力相抗衡，而使陀螺不會傾倒。 陀螺跟桌面的摩擦力以及陀螺與空氣的摩擦力，最終會導致轉動中的陀 螺速度減慢，然後傾倒。這就是為什麼陀螺無法永遠保持旋轉的原因。 試試看，你能夠使你的陀螺旋轉多久呢？

7

模型 你所需 要的零件 1

4

7

10 x

1 x

2 x

3

陀螺儀的力量

1

16

17

18

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22 2

23

1 x

2 x

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1 x

3 x

2 x

29 31

1 x 1 x

1 x

1 x

2

3

使用步驟 跟著

1

到

6

的步驟來組裝模型。

首先，先不要轉動陀螺儀內的

7

轉盤，試著讓它先在底座上平衡數 次。 8

將齒條插入陀螺儀側邊的插槽。

拉動齒條。 現在試著平衡轉動中的陀螺儀。

4

你觀察到什麼了呢？

5

新知大探索 儘管陀螺旋轉得如此快速，但由於其 重量會變得不平衡，而使得它開始 向一側傾倒。這樣的不平衡是因為 其他的力還持續影響而導致力量的 不平均。

6

只要陀螺轉動得夠快，陀螺傾倒的 力就會平均落於它所有的位置上， 因此陀螺才能保持平衡。

站立 8

知識補給站

電子陀螺儀

進動 您在前方的實驗中觀察到，陀螺儀效應能 使轉動中的陀螺保持旋轉而不會傾倒。 然而，陀螺儀會與改變其旋轉軸方向的外 力相作用。這種旋轉軸方向的改變，就稱 之為進動。甚至當轉盤圍繞著旋轉軸旋轉 時，該旋轉軸本身也繞著第二軸線轉動。

你的手機是如何 當你改變你的手機方向時， 向呢？ 感應並自動旋轉它的螢幕方 偵測震動呢？ 相機和電動控制桿又是如何 陀螺儀！ 那是因為這些設備都使用了 它電子裝置上來 陀螺儀常被應用在手機和其 。 感測物體在三度空間的移動 比這個實驗套組 螺儀 運用在智能手機內的陀 。 得多 的陀螺儀要小 與 這些微晶片陀螺儀小到可以 手 置於 其他電子感應元件共同 陀 機的電路板上。這類微晶片

MEMS ( 微機電系統 ) 陀螺儀

旋轉軸

螺儀被稱為 MEMS( 微機 統 ) 陀螺儀。

進動

智能手機電路板

陀螺儀簡史 是陀螺儀卻是一種 雖然陀螺已經存在了數百年，但 明。 的發 近代 比較 是在 1743 年由約 第一個已知的類似陀螺儀的儀器 在霧中時，它被用 翰莎參所製作出來的。當你航海 來定位海上的水平方向。 伯納柏格製作而 第一個陀螺儀是在 1817 年由約翰 ”。 成，當時他的發明被稱之為“機器 此機器取名為陀 科把 昂•傅 之後法國的物理學家萊 轉，這就是 的自 地球 演示 儀來 陀螺 螺儀。他用此 中為「看見」和 文字 希臘 根在 的字 螺儀 麼陀 為什 「旋轉」。

，陀螺儀就能夠應 乎可以無止盡地旋轉。如此一來 隨著電動馬達的運用，陀螺儀幾 示器及陀螺儀羅盤。 在重要的導航儀器上，如航向指

9

用

電系

模型

4

旋轉機器人

你所需 要的零件 1

5

6

9

6 x

2 x

4 x

4 x

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1 x

2 x 26

1 x

10

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1 x

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1 x

1 x

用陀螺儀來定位

生產線上的機器人 想像一下，工廠中裝配 零件，而要做到這 需要轉動它的手臂拿起 準確地定位手臂活 樣的動作，機器人需要 應器就能幫助機器 儀感 動的位置。而陀螺 的運作基礎，原理 人做到這一點。感應器 應 ( 推力和拉力 )。 是在於陀螺儀對力的反 如何在此原理上作 以下實驗會展示陀螺儀

1 x

24

1 x

31

29

1 x 2 x

1 x

動。

1

3 2

5 4 翻轉

翻轉

下一頁待續

10

旋轉機器人 模型 4

6

使用步驟 跟著

1

到

8

的步驟來組裝模型。

拉動齒條使陀螺儀中的轉盤順時針

9

轉動。 模型物中的其餘部分是否也是順時針或 逆時針的旋轉呢？ 請重複上述動作，逆時針再操作一次。

7

8

新知大探索 當轉盤順時針旋轉時，陀螺本體也順時針旋轉。 然後，當轉盤逆時針轉動時，本體也逆時針轉 動。 而當轉盤旋轉時，該模型會產生所謂的力矩。 力矩是一種導致物體旋轉的力。當你用扳手 轉動一個螺栓時，所運用的就是力矩。 這就是為什麼模型會跟著圓盤轉動的方向旋 轉。 因此，工廠的機器人如何使用陀螺儀來定位 手臂的位置呢？ 它是藉由機器人手臂內的陀螺儀來測量力矩， 因為在機器人的手臂轉動時，能夠用力矩來 計算手臂的移動距離及方向。

11

翻轉

動量 為什麼當花式溜冰運動員將他們的手臂 縮起越接近身體時，就能旋轉地越快 呢？地球又是如何像陀螺一樣轉動呢？ 在接下來的實驗中，你將會學習到陀螺 儀和飛輪的另一項特性，稱之為動量。

12

平衡的機器人 模型 5

阻力

你所需 要的零件 6

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4 x

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1 x

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1 x

24

1 x

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1 x

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1 x

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1 x

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2 x

30

顆球，在沒有碰到任 如果你在地面上滾動一 麼球會停止滾動呢？ 何物體的情況下，為什 於「摩擦力」的存在！ 就在 球停止滾動的原因 由將物體的運動能量 「摩擦力」是一種可藉 運動狀態的力。 原本 轉為熱來抵抗物體 感受到手心變熱，這 如果你摩擦雙手，你會 致。 就是因為摩擦力所 存在，那麼球就會不 如果沒有「摩擦力」的 下來嗎？” 會停 斷地滾動，最後它

31

1 x 2 x 1 x

使用步驟 跟著 5

1

到

4

2

的步驟來組裝模型。

將一根齒條插入飛輪引擎的插槽

1

中。拉動齒條，並將此模型放置在平滑 的表面上。 觀察看看，模型能移動多遠。 6

現在，將兩根齒條插入陀螺儀和飛

輪引擎中。同時拉動這兩根齒條（或先 拉陀螺儀的），然後放下模型。 與第 5 步驟所述的操作比較，這次的模 型移動距離如何呢？

新知大探索 3

4

從之前的實驗當中，你觀察到陀螺儀會 抵抗其旋轉軸方向上的改變，這種改變 的阻力是起因於所有材料中都存在的特 性，我們稱之為「慣性」。 例如當汽車突然剎車時，你的身體會 繼續向前傾而壓到安全帶，此時你所 感受到的就是「慣性」的效應。 慣性是由牛頓第一運動定律所制定出 來的，也常被稱為「慣性定律」。 它指出了：物體在不受外力的影響

13

下，靜者恆靜，動者恆動。

模型

你所需 要的零件 1

2

6

17 x

3 x

6 x

13

14

1 x

1 x 20

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3 x

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3 x

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4 x

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1 x

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2 x

11

2 x

2 x

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1 x

22

運動中的物體

非常快，那麼要使 如果一輛大貨車行駛得 大的力量。 花很 須要 它停下來就必 ？物體的慣性只與 性嗎 的慣 貨車 那是因為 它的質量相關。 以這還需要另一個 由於物體是移動的，所 「動量」。 稱做 念， 重要的物理概

5 x

24

2 x

1 x

26

27

4 x 2 x

2 x 28

29

4 x

30 31

1 x

拉條式陀螺機器人和軌道

注意： 此模型只能與此實驗套裝內的軌道搭配使用。 軌道的組裝說明，從下一頁開始。

19

1 x

23

2 x

25

4 x 17

10

6

使用步驟

2 x

跟著

1

到

5

的步驟來組裝這個拉條式

陀螺儀機器人模型

1 x

1

2

3

5

齒條陀螺儀機器人

4

請同時用兩根齒條使陀螺儀和飛輪旋轉， 以測試此模型。 模型會保持平衡並同時往前行進嗎？

下一頁待續

14

其他類型的軌道 模型 7

組裝發射軌道 現在從

6

至

12

的步驟開始組裝

軌道。這個結構就像是一個滑道，

6

來幫助你快速地將拉條式陀螺儀機 器人送到軌道上。如此一來 , 就更 容易讓陀螺儀機器人在它的陀螺儀 轉輪和飛輪減速下來之前，快速地 就位並使其在軌道上順利運行。

7

9

15

8

模型

7 其他類型的軌道

10

11

12

發射軌道 下一頁待續

16

其他類型的軌道 模型 7

U 型軌道零件 跟著

13

到

18

的步驟，現在開始組裝軌道。請依照這裡的說明指示來組建 U 型的設計軌道。

有九種其他的軌道配置建議示意在 18-20 頁。

13

14

16

17

15

模型

7 其他類型的軌道

17 14

16

15

18

U 型軌道

U 型軌道零件 19

將齒條插入陀螺儀機器人

模型中的陀螺儀（上）和飛輪

新知大探索

引擎（底）部位。 拿著陀螺儀模型的底部。

陀螺儀的作用使陀螺儀機器人不會從軌道上掉落，

並將陀螺儀機器人放置於發射

而且飛輪引擎會傳輸動力到輪子上，使機器人模型

滑道的軌道上，且確認輪子在

能夠沿著軌道順利地向前移動。此外，你還能藉由

軌道的縫隙中。然後同時拉動

拉動齒條來將能量加注於系統中。這樣的能量被

兩根齒條（或先拉陀螺儀的主

用來使陀螺儀和飛輪旋轉，而能維持這樣的旋轉

體），然後馬上放開陀螺儀機

是因為它們的「動量」。「動量」是物體的質量

器人。

和速度的乘積(速度在特定的方向)。「動量」能

看看這個陀螺儀機器人在沒有

使陀螺儀機器人模型沿著軌道持續移動。讓我

協助之下，如何在傾斜的軌道

們在下一個「知識補給站」頁面中，了解更多

上向上移動？

的「動量」吧！

20

18

其他類型的軌道 模型 8

S 型軌道 2

1

3

4

5 4

3

2

S 型軌道 19

模型

9 其他類型的軌道

喜馬拉雅山軌道 1

2

3

4

5

6

7

8

喜馬拉雅山軌道

下一頁待續

20

其他類型的軌道 模型 10-16 更多軌道的組裝方式 請上此網址並依相關說明指示來組裝軌道 : https://issuu.com/gigotoys/docs/_7395-cn-track

模型 10 「Z 字形」軌道

模型 11 「蹺蹺板」軌道

模型 12 「瀑布」軌道

模型 13 「U 型板」軌道

模型 15 「斜型」軌道

模型 14 「橋」軌道

模型 16 「急彎」軌道 21

知識補給站

動量守恆原理

在自然界中的陀螺儀

物體的動量是和物體質量及物體在特定方向或其

你有想過蒼蠅如何能在空中 迅速移動且瞬間改變方向而 不失去控制 ?

速率的移動快慢有直接關聯。 物體越重且速度越快的話就會產生更多的動量。 當物體沿著直線運動，稱之為「線性動量」。 物體的動量是守恆的。 這個意思表示，該動量在

蒼蠅有一個就像是陀螺儀的 平衡棒器官，能夠幫助牠在 飛行中旋轉移動。

一個封閉的系統中──而這個系統中能量不會損 失或轉換 , 能量保持不變。 舉例來說，當兩顆撞球互相碰撞時，動量會以改 變兩者的速度，由其中一顆撞球轉移到另一顆撞 球上，但兩個球的動量總和必須維持不變。然而， 這並非是一個完全封閉的系統，所以部分動量會 因為球與桌子及球與空氣的摩擦力，甚至是撞擊 時所產生的聲波，而導致動量消散。

牛頓擺的動量傳遞

22

街舞舞者 模型 17 你所需 要的零件 1

2

10 x

3 x

6

2 x

19

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2 x

1 x

7

轉圈圈 10

1 x

16

2 x

22

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1 x

2 x 23

2 x

2 x

？ 會有動量嗎？ 物體旋轉時會發生什麼 在旋轉，此動量被 是的！然而，當物體正 讓物理現象變得更複 稱為「角動量」，且 雜了！

1 x

26

1 x

1 x 24

2 x

25

18

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1 31

1 x

1 x

2

3 4

23

模型

5

17 街舞舞者

6

7

新知大探索 陀螺儀能保持旋轉是因為它的角動量守恆。但是， 當它旋轉的時候，陀螺儀的動量會轉移到其他模 型的零件，這就是造成模型移動的原因。因此陀 螺儀最後會停止轉動。

使用步驟 跟著 8

1

至

就像線性動量一樣，角動量是物體質量和速度的 7

的步驟，以組裝此模型。

將齒條插入陀螺儀的插槽中

握住模型的底部，然後拉動齒條。 你觀察到什麼了呢？

產物。 但是當計算角動量的時候，物體沿著軸 心旋轉的速度，以及相對於轉軸的質量分布， 是必須納入考慮的。 在下一個實驗中，你將會發現這些因素有著重 要的影響。

24

會頭轉的街舞舞者 模型 18

使角動量守恆

你所需 要的零件 1

2

6

10 x

1 x

4 x

19

20

3 x

2 x

10

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1 x

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1 x

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2 x

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1 x

動員運用張開雙臂及 你如果見過花式溜冰運 會發現，當他們把雙 縮臂使自身旋轉，你將 轉的速度開始更加快 臂緊貼身體時，他們旋

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了。 ? 這其中有什麼祕密嗎

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1 x

2 x

29 31

1

1 x 1 x

2

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4

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5

模型

18 會頭轉的街舞舞者

6 7

8

使用步驟 跟著從

1

到

8

的步

驟，組裝模型。 9

會

盡可能地把霹靂舞

者的手臂拉離身體中心 部位。 10

將這個模型上下翻轉

顛倒過來且握住陀螺儀的 頂面。插入一根齒條到陀 螺儀側邊的插槽內。 拉動齒條並將霹靂舞者的 頭部倒置在桌面上。 11

重複前面的步驟，但

新知大探索 當霹靂舞者模型和花式溜冰者的手臂越靠近自己身體時， 轉動的速度就越快。 這樣的現象，可以用角動量守恆來解釋。 如前面的實驗所描述，角動量是物體的旋轉速度及相對 於轉軸的質量分布相乘而得。轉動慣量是一個物體對於

這次盡量把霹靂舞者的手

其旋轉運動的慣性大小的量度。

臂貼近其身體中心位置。

由於角動量是守恆的，當轉動慣量改變時，例如：把

你觀察到這個模型在移動

物體的質量朝向軸心移動──當然在計算角動量的其

上有什麼不一樣嗎？”

他因素上也必須改變：旋轉的速度。所以，為了保持 角動量恆定，如果轉動慣量改變的話，旋轉速度也必 須改變！ 如果你有一個旋轉辦公椅的話,你可以試試坐在椅子 上並將手臂伸直於兩側，再請你的朋友或家人轉動 椅子，你將會發現你一將雙臂往身體靠近，旋轉的 速度就會變快。而當你再次張開雙臂，速度就會慢 下來。

26

知識補給站

伽利略‧伽利萊，艾薩克‧ 牛頓和慣性 人們曾經認為在沒有其他力量影響其運動狀態時， 為保持物體運動是需要持續施加力 ( 推力或拉力 )。 如果沒有其他外力停止其運動，在運動中的物體會 保持其運動狀態，例如：環境中的摩擦力 ( 在地面 或空中的移動 ) 會使物體停止運動。 在這個實驗中我們了解「慣性」。伽利略把大理石 從兩個呈現 V 型的傾斜面推下來。他發現，當他將 大理石從其中一個斜面推下去時，會發現釋放時的 高度與到達另一斜坡時的高度略低一點。 即使伽利略做出的傾斜面已經盡可能平滑，他仍然 發現大理石在另一傾斜面的高度不會與釋放時的高 度相同。他的理由是：在大理石行進過程中，有東 西阻止它到達同樣的高度。因此他發現了「摩擦 力」。伽利略的解釋是，如果第二個傾斜面是水平 的話，就不會有摩擦力，大理石就可以一直滾動。 艾薩克 ‧ 牛頓也指出該慣性的概念適用於所有物體。 他也發現物體的慣性取決於其「質量」：質量越大 的物體，會越難移動；質量越小的物體，會越容易 移動。

若沒有摩擦力阻礙， 大理石滾到第二斜面 的高度會與原本高度 相同。

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飛輪 從陀螺儀的實驗中，你已經發現其中含有大量的能量，安裝 有陀螺儀的模型，都會利用這樣的能量來移動，此種能量儲 存在陀螺儀內沉重的旋轉轉盤中，而這個旋轉轉盤也被稱為 「飛輪」，並且他有著除了陀螺儀以外的其他運用。 「飛輪」是一個沉重的圓盤，用於儲存旋轉的能量，而這個 能量可以用來驅動機器。在此工具包內含富有飛輪的裝置， 他可以驅動一對飛輪，此驅動稱之為「飛輪引擎」。 在下列的實驗中，你可以飛輪引擎來驅動汽車模型。

位於荷蘭 抽水站的飛輪

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摩托車 模型 19 你所需 要的零件 1

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模型

19 摩托車

6

7

使用步驟 看 8

1

至

7

的步驟，組裝模型。

將齒條插入飛輪引擎的插槽

中。 握住模型，拉動齒條，並將模型 放置於光滑的桌面上。 你觀察到什麼了呢？

新知大探索 飛輪引擎內的飛輪是連接到引擎的其中一個輪 子，當你拉動齒條時，你就會施加大量的旋轉 能量到飛輪上。藉由轉動飛輪，你可以增加他 的角動量，角動量會儲存在飛輪中並且會緩 慢的轉移到兩個車輪來驅動模型。當兩個輪 子轉動，使模型前進時，飛輪會將他的轉動 能量轉移到車輪上。隨著飛輪失去能量， 他會逐漸慢下來，最終停止。

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三輪摩托車 模型 20 你所需 要的零件 1

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5 x

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1 x

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模型

20 三輪摩托車

6

7 使用步驟 跟著

1

到

7

的步驟來組裝

模型。 8

將齒條插入飛輪引擎中的

插槽。 握住模型，拉動齒條，並將模 型放置在光滑的桌面上。 你觀察到什麼了呢？

新知大探索 在這個實驗中，飛輪引擎的運作方式與之前的實驗 相同，主要的不同在於這個模型多使用了兩個額外 的輪子來幫助模型保持穩定，所以他不會那麼容易 傾倒。但其中的缺點是，額外的輪子會與桌面產 生更多摩擦力，也就是說飛輪引擎需要產生更多 的 能量以大於與桌面產生的多餘的摩擦力，所 以模型便無法移動這麼遠了。然而，因為改善了 穩定性，使模型比較不容易打滑，因此，實際 上他有可能可以行進得更遠。現在就來看看你 自己，要如何讓你的模型作動吧！

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知識補給站

運動中的飛輪 飛輪通常是又大又重的輪子，具有較大的轉 動慣量，在輪子的外邊上通常有較大的重量， 如同你在「會頭轉的街舞舞者」這個實驗中

小常識 「陀螺儀效應」也應用在休閒娛樂 中，例如：當你騎腳踏車轉彎的時 候。當然，如果你將腳踏車立起來， 但輪子不轉時，它一定會傾倒。

所學，物體質量與轉軸越遠，就有越大的轉 動慣量。 一個飛輪會從轉矩中獲得能量。飛輪的轉動 速度會增加，從而儲存旋轉能量。接著，飛 輪可以藉由將力矩轉移到其他需要的機械部 位，來釋放他儲存的能量。 飛輪可以在機器上提供比原來力矩供還要快 速的旋轉運動，而原本的動力可以緩慢地增 加飛輪的速度，從而儲存能量然後建立轉速。 飛輪可以在需要的時候十分快速地釋放它的 轉動能量。 而在原本動力供給不平穩或間歇性 的時候，飛輪還可以提供機器平穩 且連續的轉動能量。 當然，飛輪也可以用在陀螺 儀上，作用是保持物 體平衡和抵抗某些 阻力來幫助控制 機器或裝置的方 向。

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左側的蒸汽機內 裝有大型的飛輪

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