做出最堅固的橋?
你能用什麼材料來做出最堅固的橋?
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物理學 -
工程學 -
材料學 -
力學 -
強度
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簡介
如果你有機會觀察不同的橋，你可能會發現它們也許是用不同的材料建造而成的。有些是木材、有些是鋼鐵、有些是水泥，甚至有些是石塊建造的。如果你想要從家裡找出一些材料，來建一座簡單又堅固的橋樑，該如何選出最堅固的材料呢? 參與這個活動，就能找出答案!
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背景
工程師應該選用什麼材料來建造一座橋? 這取決於許多因素 : 這座橋位於什麼地方? 需要建造多長? 誰會來通過這座橋? (人、汽車還是火車?) 以及它的總承重會是多少?
您或許知道不同的材料會有不同的特性，您也可能會憑感覺來評斷各種材料的特性-比如這些東西看起來或感覺起來是如何?它是淺色還是深色?平滑或是粗糙?還有一些特性是用來描述材料的強度，這樣的特性被稱為材料的機械性質。舉例來說，材料被拉伸、擠壓或彎曲的難度有多大?當您把材料彎曲後再放開，它會保持彎曲還是回到原來的形狀?如果您將材料彎曲直到斷裂，它是發生得非常緩慢，還是突然意外斷裂?
您可能在日常生活中不經意的經歷過這些不同的材料特性。當您彎曲迴紋針時，它會保持彎曲，而您也很難讓迴紋針突然”啪”的斷掉。若將它與木尺比較，如果您稍微彎曲一下木尺，它會回彈成原來的形狀 ; 但是如果您過度彎曲它，它就會被折斷。有些材料，例如橡膠，是可以容易被拉伸或壓扁的。還有些材料，例如岩石，就堅硬得多。現在你或許可以想像什麼樣的材料對橋來說是重要的。當一輛載重的卡車過橋的時候，你希望橋下陷嗎? 在卡車通過之後，你希望橋能夠恢復它原來的形狀嗎? 在這個活動中，您將探索家中所能找到的材料的不同特性，並且決定哪一種材料適合做出最堅固的橋樑。
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- 成年人助手
- 兩本較厚的書或是小盒子
- 紙張
- 烘焙紙
- 鋁箔紙
- 剪刀
- 膠帶
- 25個1元硬幣 (如果你沒那麼多硬幣，你可以拿少一點但重一點的硬幣，例如10元硬幣。或是有重量的小東西，如小石頭)
- 尺或是布尺 (選用)
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實驗準備
- 把烘焙紙和鋁箔紙剪成跟紙張一樣的大小。
- 把兩本書間隔出約30公分。
- 把每一張材料都摺成橋的形狀。首先，將它們縱向對摺兩次，然後將邊緣摺出護欄。用膠帶將邊緣固定避免摺好的橋鬆開。確定你的橋摺得夠寬足以讓硬幣平放。
您認為哪一種材料可以做出最堅固的橋 ?
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步驟
- 把您做的橋橫跨在書本之間。
- 在橋中間放一枚硬幣。
- 在橋上各處，一次一個且平均地加上硬幣。這樣可以模擬真實的人或車子過橋的時候的情境，重量並不會集中在某一邊。
- 當您持續添加硬幣時，請同時仔細觀察 : 橋是維持形狀呢?還是開始下陷了?
- 如果您已經用硬幣填滿橋的表面時，請往上疊第二層。持續添加硬幣直到橋塌陷為止。並且記錄橋塌陷的時候共使用了多少個硬幣?
- 使用不同材料，重複這些動作。看看那一種材料可以承受最多硬幣? 橋樑塌陷的時候，都是同樣的情形嗎? (例如，有些塌陷是突然發生的，而有些則是慢慢塌陷)
- 延伸實驗 : 以不同類型的材料再建造一座新的橋樑，在上面添加硬幣但不要讓它塌陷，再把硬幣取下來。觀察看看，這座橋能夠完全恢復到原來的形狀，還是永久變形了呢？
- 延伸實驗 : 物體的形狀也會影響其強度喔！嘗試調整橋樑的幾何形狀，例如調整底部的寬度或護欄的高度或每張材料對摺的次數。看看改變橋的形狀可以如何影響橋能容納的硬幣數量？
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觀察與結果
你可能發現了紙張做出來的橋最堅固，同時也可能感到驚訝鋁箔紙做的橋居然不是最堅固的。畢竟，金屬不是應該比紙還強韌嗎？物體的強度不僅取決於它的材料，還取決於它的尺寸。厚的紙張比薄的金屬會更難彎曲—而鋁箔紙其實非常薄。
如果您仔細觀察，您可能還會注意到這些橋樑並非都以相同的方式倒塌。紙橋可能是逐漸下垂，最終坍塌並讓硬幣掉落。而鋁箔和烘焙紙橋可能會是突然地倒塌—大部分時候是保持原來的形狀，然後迅速坍塌。在構建自己的橋樑時，您會如何參考這些資訊？
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安全第一與成人監督
- 請小心按照實驗說明進行操作。
- 每個實驗應有負責監護的成年人協助。
- 儘管在家裡進行科學實驗是令人興奮的學習和實踐科學的方法，但必須注意，有些實驗可能要求參與者採取額外的安全措施，以及／或者會把地方弄得髒亂。
- 成年人應負責或協助處理可能有危險的材料或尖銳物品。
- 在進行實驗前，成年人應檢視實驗內容，並決定學童的年齡是否適合參與該項活動。
