關鍵概念
物理學
工程學
齒輪
力學
引言
您是否知道齒輪無處不在？您可以在上弦玩具、腳踏車、旋轉木馬、汽車和卡車、起重機、鑽機、風力渦輪機、模擬手錶等等中找到它們！如果您仔細觀察過一輛行駛中的腳踏車，您就會看到齒輪在工作。您是否對它們的用途感到好奇？在這個活動中，您將使用糖果製作齒輪，並探索為什麼它們如此通用。
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背景
齒輪是一種特殊的輪子。它是一個圓盤，邊緣周圍有齒，稱為輪齒。大多數時候，兩個齒輪的輪齒相互齧合，使兩個輪子一起轉動。有時，輪齒與連線齒輪的鏈條齧合。您可能在腳踏車上見過這種裝置。
齒輪使人類和電機的工作更輕鬆。在許多機器中，人類或電機使軸（穿過輪子或齒輪的杆）轉動，而合適的齒輪可以使轉動更有效率。
選擇正確的齒輪組合是高效工作的關鍵。一些腳踏車允許您選擇齒輪。根據選擇，鏈條將連線不同尺寸的齒輪，為騎車者提供多種動力和效率選擇。它允許騎車者用同一輛腳踏車征服陡峭的山坡或在下坡時快速行駛。良好地使用齒輪可以讓騎車者根據他們騎行的條件調整腳踏車。
材料
至少兩個不同尺寸的圓形塑膠或紙板蓋子。直徑約為 5 釐米和 12 釐米的蓋子效果很好。
剪刀或美工刀
至少 15 顆同類型的獨立糖果，例如香料糖、玉米軟糖或橡皮糖
一大張廢紙
膠水（熱熔膠槍效果很好）
至少兩個圓形黃銅墊圈（用於將紙張連線在一起的帶有兩個彎曲叉腳的東西）
一塊紙板，至少 20 釐米 x 30 釐米
永久性記號筆
牙籤
紙
成人助手
一個直徑約為 18 釐米的蓋子（可選）
額外的黃銅墊圈（可選）
準備工作
從您最初的兩個容器蓋子中較大的一個（例如，12 釐米）開始製作您的第一個齒輪的圓盤。
找到蓋子的中心。（慢慢找到中心，因為這對於使齒輪平穩轉動非常重要。）
請成人用剪刀或美工刀小心地在蓋子中心打一個小孔。將黃銅墊圈放入孔中，並測試圓盤是否可以圍繞黃銅墊圈自由轉動。如果不能，將孔稍微擴大一點並再次測試。
在蓋子邊緣周圍排列偶數個糖果，每個糖果的底部都接觸圓盤。糖果應該非常靠近，彼此之間的空間不超過幾毫米。
移除每隔一個糖果。這將為糖果（齒輪的齒）留下空間，以便與另一個齒輪上的糖果齧合。
在蓋子邊緣上為每個糖果做一個點標記，以便您記住在哪裡粘上它們。
將您的蓋子平面朝下放在一張廢紙上。將糖果粘在蓋子上，使其側面接觸紙張（如果使用熱熔膠槍，請成人幫忙）。這確保了粘上糖果後，它們形成一個平面。
讓膠水乾燥，同時您對最初兩個蓋子中較小的一個重複此過程。在開始活動之前，至少準備兩個不同尺寸的蓋子。您可以稍後製作更多。
在開始下一步之前，請確保膠水已乾燥且糖果已穩定。
步驟
請成人幫忙在您的紙板中間附近打一個小孔。您將使用此孔將您準備的兩個齒輪中最大的一個連線到紙板上。
將黃銅墊圈穿過較大齒輪上的孔，然後再穿過紙板上的孔。彎曲其叉腳，使圓盤固定在紙板上。測試圓盤是否可以圍繞黃銅墊圈自由轉動，並根據需要進行調整。
將較小的齒輪放在較大齒輪的左側，使一個齒輪的齒齧合在較大齒輪的兩個齒之間。讓一個齒輪的齒靠近另一個齒輪的邊緣，但不要完全接觸（距離邊緣僅幾毫米）。
在紙板上標記該位置，並請成人幫忙在那裡打一個孔。
用黃銅墊圈將較小的齒輪連線到紙板上。
您認為當您轉動其中一個齒輪時會發生什麼？
試一試！當您轉動一個圓盤時會發生什麼？轉動另一個圓盤呢？
現在嘗試轉動另一個圓盤。您的預測正確嗎？您能分辨出哪個圓盤轉動得最快嗎？
為了讓您更容易看到圓盤的轉動速度，請使用記號筆畫一條線連線這兩個齒輪的中心。
轉動較小的齒輪，直到它完成一整圈。較大的齒輪移動了多遠？它轉動了超過、少於還是正好一整圈？您現在能分辨出哪個圓盤轉動得更快嗎？為什麼會這樣？
您注意到齒輪朝哪個方向轉動了嗎？它們都朝同一方向轉動還是朝相反方向轉動？為什麼會這樣？
拓展： 使用比您目前使用的兩個蓋子直徑更大的容器蓋子製作一個更大的齒輪。將其連線到您現有齒輪組的右側，使齒輪齧合。您認為如果您轉動這組齒輪中的一個齒輪會發生什麼？您能分辨出哪個齒輪轉動得最快，哪個齒輪轉動得最慢嗎？當您轉動一個齒輪時，您能預測其他兩個齒輪將朝哪個方向移動嗎？
拓展： 製作更多不同尺寸和相同尺寸的齒輪，並嘗試不同的組合。
拓展： 數一下一組相互齧合的齒輪上的齒數，並使用這些數字來找出當較大的齒輪與較小的齒輪齧合時，較大的齒輪旋轉速度快多少。
拓展： 本活動中的齒輪都連線到一塊扁平的紙板上。您能製作一個配置，其中一個齒輪與第二個齒輪成直角嗎？
拓展： 軸是穿過齒輪中心的杆。您在本活動中製作的齒輪圍繞其軸旋轉。有時，齒輪固定在軸上，軸轉動。您能製作一個系統，其中至少一個齒輪固定在軸上嗎？如果您將不同尺寸的齒輪粘在同一根軸上會發生什麼？這樣的配置在什麼時候會有幫助？
拓展：在您的家中和附近尋找帶有齒輪的工具和機器。您能找出為什麼在這個工具中使用齒輪嗎？
觀察和結果
您可能注意到，齒輪越小，旋轉速度越快。這是因為較小的齒輪齒數較少。您是否也注意到，當齒輪齧合時，旋轉方向與另一個齒輪相反？
較小的齒輪齒數較少，因此，與較大的齒輪相比，它們在完成一整圈旋轉之前旋轉透過的齒數更少。這使得它們能夠更快地轉動。以一個有十二個齒的齒輪連線到一個有六個齒的齒輪為例。有十二個齒的齒輪旋轉速度只有一半，因為它有兩倍的齒數。聯鎖機制保證了相同數量的齒透過它們齧合的點。當一個齒輪轉過六個齒時，另一個齒輪也將轉過六個齒。當有六個齒的齒輪轉動一整圈時，第二個齒輪只移動了其十二個齒中的六個齒。它只轉動了半圈，因此它的旋轉速度只有一半。
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