神奇的拱形與雞蛋
一、研究動機:
我們常常吃蛋,看到媽媽煎蛋前,把蛋殼輕輕一敲就破了,雞蛋看起來似乎是很脆弱、不堪一擊的。但卻又聽說雞蛋是捏不碎,這是為什麼呢?還有常常看到現在的大型建築物,以及拱橋成圓形狀,是因為看起來壯觀呢? 還是有其他功能?
二、研究目的:
1. 研究雞蛋承受不同重量的情形,最多可承受多少重量?
2. 研究模型拱橋承受不同重量的情形,最多可承受多少重量?
3. 研究模型拱橋寬度不同時承受重量的情形,最多可承受多少重量?
4. 研究模型拱橋厚度不同時承受重量的情形,最多可承受多少重量?
三、研究器材:
蛋、蛋架、平板、小板凳、體重計、保麗龍板、保麗龍裁剪器、保麗龍膠
四、研究過程:
實驗一: 研究雞蛋承受不同重量的情形,最多可承受多少重量?
實驗步驟:
1.先檢查雞蛋有沒有裂痕或破掉
2.挑選大小相同的雞蛋
3.把七顆雞蛋平均分配排列位置,高度要相同
4.先將平板 (0.5公斤) 平穩放置在蛋的上面,再開始加重量
5.疊上第一張4公斤重的小板凳
6.再加上第二張4公斤重的小板凳
7.以此類推,並記錄下雞蛋最多可承受的重量
實驗二: 研究模型拱橋承受不同重量的情形,最多可承受多少量?
實驗步驟:
1. 將保麗龍板切割成拱形,組合成一個拱橋模型
2. 在模型拱橋上先放上平板(0.5公斤),用來平放小板凳
3. 平板上放置一張4公斤重的小板凳
4. 再加上第二張4公斤重的小板凳
5. 以此類推,並記錄下模型拱橋最多可承受的重量
實驗三: 研究模型拱橋寬度不同時承受重量的情形,最多可承受多少重量?
實驗步驟:
1. 將厚度相等(5cm)的保麗龍板,切割成高度相等(26cm),寬度為70cm、 60cm、50cm的模型拱橋各一個。
2. 在寬度70cm的模型拱橋上先放上平板(0.5公斤),平板上放置一張4公斤重的小板凳,再加上第二張4公斤重的小板凳,以此類推,並記錄下此模型拱橋最多可承受的重量。
3. 在寬度60cm的模型拱橋上先放上平板(0.5公斤),平板上放置一張4公斤重的小板凳,再加上第二張4公斤重的小板凳,以此類推,並記錄下此模型拱橋最多可承受的重量。
4 在寬度50cm的模型拱橋上先放上平板(0.5公斤),平板上放置一張4公- 斤重的小板凳,再加上第二張4公斤重的小板凳,以此類推,並記錄下此模型拱橋最多可承受的重量。
實驗四: 研究模型拱橋厚度不同時承受重量的情形,最多可承受多少重量?
實驗步驟:
1. 將5cm、2.5cm、1.5cm不同厚度的保麗龍板,切割成高度相等(26cm),寬度相等(70cm) 的模型拱橋各一個。
2. 在厚度5cm的模型拱橋上先放上平板(0.5公斤),平板上放置一張4公斤重的小板凳,再加上第二張4公斤重的小板凳,以此類推,並記錄下此模型拱橋最多可承受的重量。
3. 在厚度2.5cm的模型拱橋上先放上平板(0.5公斤),平板上放置一張4公斤重的小板凳,再加上第二張4公斤重的小板凳,以此類推,並記錄下此模型拱橋最多可承受的重量。
4. 在厚度1.5cm的模型拱橋上先放上平板(0.5公斤),平板上放置一張4公斤重的小板凳,再加上第二張4公斤重的小板凳,以此類推,並記錄下模型拱橋最多可承受的重量。
五、研究結果:
實驗一: 我們發現
七顆雞蛋當承受0.5公斤平板;另加一張4公斤板凳,共4.5公斤時;以及再加上第二張4公斤板凳, 共受力8.5 公斤時,均依然亳無裂痕或破碎。
實驗二: 我們發現
保麗龍拱橋模型當承受0.5公斤平板;另加一張4公斤板凳,共4.5公斤時;以及再加上第二張4公斤板凳, 共受力8.5 公斤時,依然沒有任何斷裂的情形。
實驗三: 我們發現
保麗龍拱橋模型厚度相等(5cm),高度相等(26cm)時
1.寬度70cm的模型拱橋可承受兩張小板凳的重量,共受力8.5公斤時,依然沒有任何斷裂的情形。
2.寬度60cm的模型拱橋可承受兩張小板凳的重量,共受力8.5公斤 時,依然沒有任何斷裂的情形。
3.寬度50cm的模型拱橋可承受三張小板凳的重量,共受力13公斤 時,依然沒有任何斷裂的情形。
實驗四: 我們發現
保麗龍拱橋模型高度相等(26cm),寬度相等(70cm)時
1. 厚度5cm的模型拱橋可承受兩張小板凳的重量,共受力8.5公斤 時,依然沒有任何斷裂的情形
2. 厚度2.5cm的模型拱橋只承受一張小板凳的重量,共受力4.5公斤。當承受兩張小板凳的重量,共受力8.5公斤時,即由模型拱
橋中間斷裂。
3. 厚度1.5cm的模型拱橋只承受一塊平板的重量,共受力0.5公 斤。當承受一張小板凳的重量,共受力4.5公斤時,即由模型拱橋中間斷裂。
六、討論與結論:
討論一、雞蛋外殼如此脆弱,為什麼能承受如此大的重力?
結論:雞蛋外殼如此脆弱,但卻能承受驚人的重量,原來圓形雞 蛋是一個就地旋轉的拱,它能夠把加於其上的力均勻地分散到整個球面上,有效地減低了局部的壓力,所以蛋殼比我們想像的更耐壓,強度更強。就像母雞媽媽孵蛋時,不會把寶貝蛋「坐」破一樣!
討論二、保麗龍拱橋模型為什麼能承受如此大的重力?
結論: 原來保麗龍拱橋模形的原理和雞蛋一樣。拱頂可以看成 是一連串重複排列的拱,可將拱頂所負載的重量傳遞分散到兩側,所以拱形特別的耐重、堅固。難怪建築師們喜歡把拱形用在橋樑、拱門或大型建築物的屋頂上。
討論三、保麗龍拱橋模型的寬度為什麼會影響它承受重力?
結論: 寬度較小的保麗龍拱橋模型,因其所承受重力比較垂直
傳遞分散到兩側地面,不容易從中斷裂,所以能承受比較大的重力。
討論四、保麗龍拱橋模型的厚度為什麼會影響它承受重力?
結論: 保麗龍拱橋模型當厚度比較厚時,因其承受重力後,分散重力的面積比較廣,所以不容易斷裂。厚度越薄承受重力越小,故容易有斷裂情形。
七、參考資料:
1. http://www.bud.org.tw/Hu/hu19.htm
科學小芽子/雞蛋與拱橋
2. 最新科學百科全書/陽明書局
来自: http://christine.net-cn.com/arch.htm
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好厉害的学生!很专业的试验和报告
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