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國二下理化 ⏱ 約 20 分鐘 PhET Eb-IV-1 Eb-IV-3

拔河不動的祕密:力的平衡

任務簡報:拔河比賽雙方力量相等時,繩子就僵持不動——這就是「力的平衡」!你的任務是打開模擬實驗,親手找出平衡的條件。

小欣老師
1讀故事情境拔河的懸案
2動手玩實驗先看步驟再操作
3記錄與闖關填數據、答問題
4自我驗證最後回頭打勾⭐
1

情境引導

小惠同學
🪢 拔河比賽的懸案

拔河比賽時,當雙方力量相等時繩子保持不動,這就是「力的平衡」。
這一節,我們要透過模擬實驗,探究力的平衡與合成原理,並分析靜止物體的受力情況。

2

實驗工作站:PhET 力與運動模擬

先把 5 個步驟讀完,再動手做!

💻 電腦版:同一個框框裡,左邊讀步驟、右邊做實驗,實驗畫面會一直陪著你。📱 手機版:先讀步驟,往下就是實驗艙。

🧑‍🏫 操作指導語(請依序完成)

小欣老師
  1. 1

    進入模擬後,選擇「Net Force」(合力)畫面,將藍色與紅色的施力者拖曳到繩子兩側。

  2. 2

    調整雙方施加的力量大小,觀察當雙方力量相等、方向相反時,物體(如箱子)是否保持靜止。

  3. 3

    改變其中一方的力量大小,觀察合力不為零時物體的運動方向與加速情形。

  4. 4

    記錄不同力量組合下的合力大小與物體的運動狀態。

  5. 5

    思考:拔河比賽中,什麼情況下繩子會保持不動?

💡 小提醒
  • 當物體所受合力為零時,物體會保持靜止或等速運動(力的平衡);當合力不為零時,物體會沿合力方向產生加速度。

🧪 實驗艙(讀完左邊步驟,在這裡動手做):

phet.colorado.edu · Forces and Motion: Basics 🇺🇸 EN🔎 放大操作
實驗艙空白或卡卡的?點右上角「🔎 放大操作」在新分頁開啟。(模擬介紹頁)
3

數據實驗室

小惠同學

把剛才玩到的力量組合填進格子(寫字也可以,例如「一樣大」「往左加速」)。不知道怎麼填?按「填入範例」看看!

📏 怎麼判斷對不對:兩邊一樣大 → 合力 0 → 不動;一邊比較大 → 合力往那邊 → 往那邊動。對照你在模擬裡看到的現象檢查看看!

左側施力右側施力合力大小與方向物體運動狀態
4

探究關卡

小欣老師

用你剛才的觀察回答四個問題。卡住了就按提示;先寫下想法(5 個字以上),才能解鎖參考答案喔!

探究 1 觀察與定題 · Observe & Ask

什麼是力的平衡?它的條件是什麼?

拔河僵持時,繩子為什麼不動?兩邊的力「抵消」了嗎?
兩個力要達成平衡,大小要怎麼樣?方向要怎麼樣?還要作用在哪裡?
✔ 已自動保存
🔒 參考答案在保險箱裡——先在上面寫下你的想法(5 個字以上)就能解鎖!

🔑 參考答案

力的平衡是指物體所受的合力為零,此時物體的形狀和運動狀態不再改變;條件是兩力大小相等、方向相反、作用在同一直線上(或多力的合力為零)。

自我檢核:這些重點我有寫到嗎?點一點做記號!

沒關係!對照答案修改你的想法,科學家也是這樣一次次變厲害的 💪

探究 2 計劃與執行 · Plan & Investigate

使用模擬工具測試不同力量組合,何時物體會保持靜止?

在 Net Force 畫面中,讓兩邊的人數一樣多、力量一樣大,箱子怎麼了?
再試試:把一邊的力量加大,箱子往哪邊動?什麼條件下它才會「不動」?
✔ 已自動保存
🔒 參考答案在保險箱裡——先在上面寫下你的想法(5 個字以上)就能解鎖!

🔑 參考答案

當左右兩側施加的力量大小相等、方向相反時,物體(箱子)會保持靜止。

自我檢核:這些重點我有寫到嗎?點一點做記號!

沒關係!對照答案修改你的想法,科學家也是這樣一次次變厲害的 💪

探究 3 分析與發現 · Analyze & Discover

如果兩個力方向不同,要如何求出它們的合力?

力有「方向」,所以不能直接把數字加起來,要用畫圖的方法……
想想數學課的「平行四邊形」:以兩個力為鄰邊畫出平行四邊形,對角線就是合力!
✔ 已自動保存
🔒 參考答案在保險箱裡——先在上面寫下你的想法(5 個字以上)就能解鎖!

🔑 參考答案

若兩力方向不同,可使用平行四邊形法則或三角形法則,將兩力的向量相加求出合力。

自我檢核:這些重點我有寫到嗎?點一點做記號!

沒關係!對照答案修改你的想法,科學家也是這樣一次次變厲害的 💪

探究 4 討論與傳達 · Discuss & Communicate

一本書靜止放在桌面上,它受到哪些力?這些力如何達到平衡?

書有重量嗎?重量把它往哪個方向拉?
如果只有重力,書會穿透桌子掉下去嗎?是誰「頂住」了書?
✔ 已自動保存
🔒 參考答案在保險箱裡——先在上面寫下你的想法(5 個字以上)就能解鎖!

🔑 參考答案

書本受到向下的重力與向上的桌面支撐力,兩力大小相等、方向相反,合力為零,因此書本保持靜止。

自我檢核:這些重點我有寫到嗎?點一點做記號!

沒關係!對照答案修改你的想法,科學家也是這樣一次次變厲害的 💪

5

延伸挑戰(進階,選做)

還不過癮?點開下面的挑戰卡,繼續探險!

⚖️ 挑戰 A:探究力矩平衡(PhET Balancing Act) ▶

使用 PhET「Balancing Act」模擬翹翹板兩側物體的重量與位置,探究力矩平衡的原理——合力矩為零時,翹翹板保持平衡!

phet.colorado.edu · Balancing Act 🇺🇸 EN🔎 放大操作
實驗艙空白或卡卡的?點右上角「🔎 放大操作」在新分頁開啟。
6

反思時光

最後兩題,沉澱一下今天學到的東西!

反思 1 學習反思

這次實驗後,我對力的平衡與合成有什麼新的理解?

實驗前你以為什麼?玩過模擬之後,哪個發現最讓你意外?
✔ 已自動保存
🔒 參考答案在保險箱裡——先在上面寫下你的想法(5 個字以上)就能解鎖!

🔑 參考方向(這題沒有標準答案)

例如:原來靜止的物體不是「沒有受力」,而是受到的力「剛好抵消」(合力為零);也發現力有方向,合成時不能只看大小。寫出你自己的新發現就很棒!

沒關係!對照答案修改你的想法,科學家也是這樣一次次變厲害的 💪

反思 2 學習反思

你認為理解力的平衡原理,對於設計穩固的建築物或橋樑有什麼幫助?

如果橋的某一部分受力「不平衡」,會發生什麼事?工程師要怎麼利用平衡原理避免這種事?
✔ 已自動保存
🔒 參考答案在保險箱裡——先在上面寫下你的想法(5 個字以上)就能解鎖!

🔑 參考答案

理解力的平衡原理,有助於工程師設計橋樑、建築物的支撐結構,確保各部位所受合力為零以維持穩定;同時也能應用於機械設計、體育運動的姿勢調整等領域。

自我檢核:這些重點我有寫到嗎?點一點做記號!

沒關係!對照答案修改你的想法,科學家也是這樣一次次變厲害的 💪

🏁

自我驗證:我學會了嗎?

跑完一整輪了!現在回頭檢查——下面四件事你真的會了嗎?會就打勾;不太確定?點旁邊的按鈕回那一關再練一次。

小惠同學 小欣老師
🏆 探究迴圈完成!
你剛剛做了真正的科學探究:觀察 → 實驗 → 記錄 → 分析 → 表達 → 回頭驗證。
這就是科學家的一天。幫自己鼓掌!👏