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奇妙的電磁世界重點整理
地球好似一顆大磁球,磁力(引力)大到連水都可以牢牢的吸附在地球表面,而地球之所以有磁力,所以有些生活上的用品被製造出來,用以指引方向,讓人不會迷路而找不到方向,指北針就是例子之一;電會生磁是科學史上相當重大的發現,究竟電磁作用對我們的生活會帶來什麼影響呢?
奇妙的電磁世界
活動1 指向南北的指北針
磁鐵的N極會吸引指北針尾端;磁鐵的S極會吸引指北針的尖端(顯示指北針的指針有可能是磁鐵做的)
指北針的指針能自由旋轉是因為中央有個支撐,沒有直接碰觸指北針底部,而指針永遠指向南北
用棉線懸掛的磁鐵靜止時指向南北方向
懸空的磁鐵棒靜止時,指向北方的一端稱之為N極,指向南方的一端稱之為S極
磁極相異互相吸引,磁極相同互相排斥
指北針的N極會指向地球的北極(方),此處為地磁的S極;指北針的S極會指向地球的南極(方),此處為地磁的N極
活動2 電磁鐵的製作
2-1 通電的電線
西元1820年丹麥科學家奧斯特發現:”通電的電線會使一旁的磁針產生偏轉“~電流磁效應
通電的電線會像磁鐵一樣使指北針的指針偏轉
操作一 通電電線使指北針偏轉的情形~斷電後的電線不具磁場(指針不會產生偏轉)
1.改變電池的擺放方向,指針的偏轉方向會相反
2.改變電線的擺放位置,指針的偏轉方向會相反
2-2 通電的線圈
操作一 線圈磁力實驗
1.通電的線圈會使指針產生偏轉~具有磁場
2.通電線圈的兩端會吸引指針的不同端
3.通電的線圈無法吸引迴紋針
2-3 電磁鐵裝置
通電的線圈中加入小鐵棒會增加線圈的磁力
操作一 通電的線圈加入小鐵棒的磁性實驗
1.通電線圈的兩端會吸引指北針不同的兩極~表示通電線圈的兩端有分成N極和S極
2.線圈兩端連接的電線互換時,線圈的N極和S極也會互換
電磁鐵:繞有漆包線的鐵棒,通電後會產生磁性的裝置
電磁鐵和一般磁鐵一樣,具有異極相吸,同極相斥的特性
操作二 兩個電磁鐵相互靠近的情形
1.兩個電磁鐵通電後都具有N極和S極,也會有異極相吸,同極相斥的特性
2-4 電磁鐵磁力強弱的探討
操作一 電池串聯數目對電磁鐵磁力的影響
1.電池串聯數目越多,電磁鐵的磁力越強~因為吸引的迴紋針數目越多
改變(操作)變因:電池串聯的數目
不變(控制)變因:
1.纏繞線圈數必須相同
2.使用相同的電池廠牌及型號
3.鐵棒的大小-粗細-材質也必須一致
4.漆包線圈的材質-大小-粗細必須相同
應變變因(結果):電池串聯數目越多,吸起的迴紋針也越多
操作二 線圈圈數對電磁鐵磁力的影響
1.線圈數目越多,電磁鐵的磁力越強~因為吸引的迴紋針數目越多
改變(操作)變因:線圈的數目
不變(控制)變因:
1.電池的廠牌型號必須相同
2.使用相同的電池廠牌及型號
3.鐵棒的大小-粗細-材質也必須一致
4.漆包線圈的材質-大小-粗細必須相同
應變變因(結果):線圈數目越多,吸起的迴紋針也越多
2-5 電磁鐵與磁鐵
電磁鐵與磁鐵的差異
(圖片來源:南一書局)
電磁鐵在生活中的應用:
皮包的扣環-玩具車的馬達-電視機-磁浮列車-電風扇-洗衣機-電磁鐵起重機
簡易電磁馬達製作
杰宇老師自製簡易馬達成功短片
簡易電動機製作
全文引自:http://www.wnps.tc.edu.tw/~stf/edu_serche/mada/index.htm
一、製作方法及過程
| 項目 | 內容 | 影片 |
| 原理 | 利用電磁鐵和磁鐵異極相吸、同極相斥的方法，就可以讓馬達轉動起來喔！以下就是簡易電動馬達的做法，讓我們一起來做做看吧！ | TS1 |
| 材料 | 我們需要的材料有四號電池一個、漆包線60公分長、迴紋針二枝、砂布一小塊、電路用膠帶一捲、強力磁鐵一個、厚紙板一塊(10cm×10cm)尖嘴鉗一把。 | TS2 |
| 繞漆包線 | （做法一）先將漆包線一端預留 6.5 公分，然後將漆包線緊密繞圓柱形物體6圈左右成一圓線圈，在另一端也保留 6.5公分線長。將兩端多出來的漆包線分別在線圈圓周的相對位置纏繞線圈數次，如此可將線圈固定而不鬆開，但兩端的漆包線留下的長度至少要有 4.5 公分長。 | TS3 |
| 磨絕緣漆 | （做法二）將漆包線線圈一端用細砂紙完全磨去外皮的絕緣漆，另一端則平放桌上後只磨去半邊。 | TS4 |
| 調整 | 調整線圈兩側留下的漆包線，不但位置要平均對稱，而且要平直，最好能夠形成一直線，轉動起來效果比較好。 | TS5 |
| 組合 | （做法三）將兩支迴紋針的中間拉直，保留頭尾各一個彎曲，將兩支迴紋針分別放置在電池兩端，再利用黑色膠布將其固定。並將露出來的末端折成V字形，並且調整適當角度，以膠帶將電池固定在厚紙板上。 | TS6 |
| 完工測試 | （做法四）把磁鐵放到兩枝迴紋針中間，並吸附在電池上，將繞好的漆包線線圈放在迴紋針的架上，然後線圈應該會很快轉動起來了。 | TS7 |
二、實驗安全及注意事項
通電後，漆包線線圈及迴紋針的溫度會升高，切勿觸摸漆包線線圈與迴紋針，以免燙傷。
三、製作問題與對策
| 項次 | 發生的狀況 | 可能的問題 | 解決對策 | 參考影片 |
1 | 一直搖晃、轉動太慢或根本不會轉動。 | 電池電力是否充足。 | 電力不足，更換電池。 | |
| 轉軸漆包線線圈外兩端的絕緣漆是否依正確步驟刮除。 | 轉軸上的漆包線刮除不確實，需要重新刮除。 | TS4 | ||
| 磁鐵的磁力是否太弱。 | 更換磁鐵 | |||
| 漆包線線圈是否離磁場太遠。 | 將迴紋針的長度調整短一點。 | |||
2 | 線圈被吸到磁鐵的方向，不會轉動。 | 作用的磁力太強 | 請參考項次4 | |
| 漆包線太細太軟 | 將迴紋針末端往中間彎曲，減少迴紋針之間的距離。 | |||
| 用粗一點的漆包線重新製作。 | ||||
3 | 線圈轉動時一直往同一邊移動。 | 漆包線線圈是否水平對稱放置在迴紋針上。 | 將兩側的迴紋針調整到水平的狀態。 | TS6 |
4 | 轉動時會線圈會劇烈跳動或跳離迴紋針。 | 作用的磁力太強 | 將迴紋針的長度調整長一點。 | |
| 減少線圈的圈數。 | ||||
| 線圈的轉軸沒有成為一直線 | 將轉軸的各個角度調整成一直線。 | TS5 |
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電與磁的應用
電磁感應–微波爐原理
電磁鐵的概念
地磁簡介
磁力線實驗
X-Zylo(空中騎士)–飛行距離很遠的科學玩具
本內容全全文引自:
國立台中教育大學 NTCU 科學教育與應用學系 | 科學遊戲實驗室 |
空中騎士
飛行距離超過50公尺的趣味玩具 |
※器材：寶特瓶、絕緣膠帶（電火布）
|
| ※操作步驟與現象： |
本網站曾介紹過以寶特瓶瓶身以及膠帶製作的「飛行高手」，飛行距離大約都在20公尺以內，後來版主購自美國相同玩具X-Zylo（如圖一），經過實際試驗，飛行距離可以輕易超過50公尺，最遠可以達到約70公尺（足球場的寬度），效果相當不錯，能引起學生的驚訝與興趣。 為了重現X-Zylo的飛行效果，實際測量X-Zylo的尺寸，數據如下：直徑：9.6公分；重量：22.8公克；高度（波浪狀）：波鋒高6.0公分、波谷高：4.8公分。考慮在教室實施教學時的方便，而且經過實際試驗，波浪形與平面形的差異並不大，因此高度以平均高度5.4公分計算，製作為圖二的樣式。 另一方面，為了製作的方便，還是採用寶特瓶瓶身來製作。但是在市面買得到的寶特瓶飲料，瓶身直徑沒有剛好為9.6公分，因此按照比例決定重量，亦即以纏繞絕緣膠帶（俗稱電火布）的多寡來調整重量。經過多次實作測驗，效果最好的結果如下： 1.取容量一公升的寶特瓶飲料（直徑為8.7公分），形狀必須為圓筒型，瓶身不可為曲線瓶或是有凹凸。 2.將寶特瓶瓶身畫二條平行線，距離（寬度）為4.9公分，小心的裁剪下來，即成為X-Zylo的本體。 3.在上一步驟X-Zylo本體的一端，纏繞絕緣膠帶，黏貼的絕緣膠帶共纏繞21～24圈，完成後總重量約為20.5公克。纏繞時注意不要太用力拉扯絕緣膠帶，亦即輕輕的黏貼絕緣膠帶即可，完成後再將絕緣膠帶壓緊。因為絕緣膠帶具有彈性，用力拉扯再黏貼，會造成黏貼之後絕緣膠帶收縮，寶特瓶瓶身會被壓縮而變形。 4.如果取得的寶特瓶不是直徑8.7公分，建議比例如下（單位為公分、公克）直徑：高度：重量＝1：0.56：2.35。
玩法： 丟擲X-Zylo需要技巧，首先握著X-Zylo如圖三，如同拿橄欖球一樣往前丟（絕緣膠帶的部分在前）。在丟擲出去時，必須讓X-Zylo旋轉，如圖四。要使X-Zylo旋轉，主要是利用食指到么指的四個手指頭的摩擦力，旋轉越快速，X-Zylo的飛行效果越好。 如果飛行過程X-Zylo會往下急墜，通常是因為太重，可以將纏繞的絕緣膠帶再撕掉一些。如果X-Zylo會往上飛揚，則為太輕，再多纏繞幾圈絕緣膠帶。請注意：通常效果最好的情形是：X-Zylo會有點往上飛（不是急速上揚），因此需要將X-Zylo往前丟擲（幾乎與地面平行），不能往上丟擲。 有另一種採用鋁罐金屬製作的玩具，稱為「Toobee」，結構與玩法都一樣，不過自行製作比較容易被鋁罐割傷，而且飛行效果（距離）比不上X-Zylo，因此還是以寶特瓶製作較為理想。
觀看實驗影片（1.7M） |
| ※原理： |
X-Zylo又被稱為「空中騎士（air rider）」或「飛行陀螺（flying gyroscope）」。X-Zylo是柏克萊大學研究生Mark Forti於1991年發明，在1992年由William Mark 公司精緻化後在玩具市場販售，立即獲得大眾的喜愛與迴響。麻省理工學院曾經實際測試X-Zylo的飛行距離，非官方的世界紀錄達到655英呎（約二百公尺）。 Tarr（2012）推論其可能的原理包括了陀螺效應（gyroscopic effect）以及機翼升力（flat plate lift）的現象。陀螺效應使得X-Zylo因為旋轉而保持穩定，而纏繞絕緣膠帶所形成的厚度，如同飛機機翼的效果而有升力。但是由於X-Zylo的飛行原理頗為複雜，Tarr（2012）指出目前對於X-Zylo的詳細原理，包括NASA科學家以及專業的科學家，還沒有一定的共識。 |
| ※叮嚀的話： |
1.丟擲X-Zylo的力道會影響飛行距離，男生力氣較大，幾乎都比女生丟得遠，換言之，不會丟棒球或橄欖球，就很難讓X-Zylo飛行得遠。而風向也是影響因素，順風比逆風飛行的更遠。另一方面，如果X-Zylo製作得不夠對稱均勻，則不容易保持筆直飛行而會彎曲。 2. William Mark公司另有設計「發射器」，不必用手丟擲，國內目前沒有販售。但是其飛行距離仍比不上直接用手丟擲，因此建議不必購買或製作。 3.版主試過以其他材質製作，例如塑膠片、紙片，但是仍然以寶特瓶的效果最好，製作也最為簡便。而透明膠帶通常較輕薄，要達到應有的重量需要纏繞更多圈，因此建議還是使用絕緣膠帶。 4.在教學上，建議可以指導學生進行以下活動：(1)改變各種變因，例如大小不同（直徑與高度）的寶特瓶、不同絕緣膠帶圈數、旋轉快慢等等，觀察並記錄對於X-Zylo的飛行距離的影響為何？(2)製作完成後，比賽擲遠或是擲準，看誰的飛行距離最遠或是準度最好？(3)除了一個人玩，也可兩人一組，如同玩飛盤一樣你丟我接。 |
| ※參考資料： |
1.William Mark公司：http://www.x-zylo.com/ 2.You tube影片：(1) http://www.youtube.com/watch?v=9U3xFu0MIdo （X-zylo）；(2)http://www.youtube.com/watch?v=LAy8e2ixOGw （Toobee） 3. Hunch：http://hunch.com/item/hn_4130094/x-zylo-flying-gyroscope-toy/ 4. Tarr, D. L. (2012).What makes the amazing X-zylo fly? Washington: Columbia-Capstone. 5.科學玩具柑仔店：http://kingdarling.blogspot.tw/2012/12/x-zylo-ultra.html |
