國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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轉不停陀螺

陀螺一直轉不停,為什麼呢?

準備器材:陀螺、漆包線、鐵釘、電池組、磁簧管、強力磁鐵

操作過程與現象:

  「轉不停陀螺」是台南市佳興國中陳坤龍老師的創見,曾經在科學教育研討會發表,相當受到老師與學生的喜愛。轉不停陀螺的特徵是陀螺轉動之後,會快速旋轉(如右圖),而且不會停下來,直到電池沒電。而且轉動中,用手輕輕碰一下,陀螺受到干擾也很快就回復平衡,不會停下來。不過本項科學玩具的製作稍微複雜,適合至少國小高年級以上的學生,製作成功時,會很有成就感,也相當有趣

觀賞實驗影片(0.97M)

製作方法

一、基本構造的製作

  轉不停陀螺的基本構造如下圖。在放置陀螺的轉盤的背面底部有「漆包線電磁鐵」以及「磁簧管」,而陀螺裡面黏貼了一個「強力磁鐵」。(如圖一,線路皆為串聯)

1.漆包線電磁鐵:將漆包線纏繞在鐵釘上(漆包線長約100公分即可),然後用砂紙將漆包線的頭尾二端刮除去漆(刮除漆的長度約1~2公分即可),以便能導電使鐵釘成為電磁鐵。

2.磁簧管:這是一種以磁場控制的開關,可隨著磁場的改變而一開一關,電子材料行有販售不同尺寸的磁簧管,建議購買本體長度約2.8公分(不含接線端)的磁簧管。

3.轉盤:上述的「漆包線電磁鐵」以及「磁簧管」要黏貼(用膠帶或熱熔膠皆可)在陀螺的轉盤的背面底部。注意此轉盤必須有凹洞或小凹槽,以便讓陀螺在特定的範圍內轉動,不能讓陀螺四處游走。換言之;陀螺必須保持在轉盤底部的磁簧管、漆包線電磁鐵的上方。

在製作過程,建議上述步驟要一步一步確認無誤,避免全部組裝完成後才試驗能否成功。

4.陀螺:這是製作過程中較不容易取得的零件,由於陀螺中央需要黏貼一個強力磁鐵(如圖一右下),因此必須使用一個中空的陀螺(圖一的陀螺是取自一個小玩具)。另一方面,請特別注意:強力磁鐵擺放的位置,必須讓南北極為水平方向,不可以為垂直方向!

至於強力磁鐵的大小,建議先購買約三種不同的尺寸大小進行試驗,通常強力磁鐵如果太小,會無法轉動;太大則因吸力太強不是無法轉動,就是轉動太激烈跑出凹洞而停止。

圖一

二、組裝過程的試驗

1.漆包線電磁鐵:完成漆包線纏繞鐵釘之後,將漆包線頭尾二端接上電池,查驗能否吸引鐵釘,以確定通電後能產生磁力。(如圖二)

2.確定能產生磁力之後,再「串聯」磁簧管與電池,並將強力磁鐵靠近磁簧管。通電後慢慢轉動強力磁鐵,檢查漆包線電磁鐵是否會隨著強力磁鐵的轉動(注意:是轉動,不是靠近或遠離),改變吸引鐵釘的能力(一下吸引、一下不吸引)。(如圖三)

確認以上裝置沒有問題之後,再將漆包線電磁鐵以及磁簧管黏貼在轉盤背面。

三、玩法

  製作完成後的玩法相當簡易,只要將陀螺在轉盤中央的凹洞輕輕旋轉,陀螺就會加速的旋轉,而且不會停喔!注意:陀螺只會在順時針或是逆時針時旋轉,依電池的電流方向而異。因此當陀螺無法旋轉時,試一下不同的方向旋轉即可。

原理:

  陀螺會轉個不停,是因為「漆包線電磁鐵」與「陀螺中磁鐵」之間的交互作用。但是漆包線電磁鐵的磁場是固定的(除非電池的電流方向改變),因此陀螺中的磁鐵在旋轉過程,與漆包線電磁鐵之間應該會一下子吸引、一下子排斥,互相抵消,為什麼還會轉不停?這就是為什麼轉盤底部必須裝上磁簧管的原因。

  陀螺中的磁鐵在旋轉時,磁場的改變可以讓磁簧管一關一開的變化,造成電流一下通路、一下不通,因此漆包線電磁鐵也會一下有磁場、一下沒有磁場,所以只會有排斥力或者吸引力。

  而磁力到底是保持互相吸引或是互相排斥?此與強力磁鐵放置的方向、旋轉方向以及電流方向都有關係。在製作過程中,不必為這個問題傷腦筋,因為如果陀螺在順時針時無法持續旋轉,則改成逆時針旋轉即可,反之亦然。

叮嚀的話:

  在通電之後,漆包線電磁鐵會發熱,雖然還不至於燙傷,但請小心碰觸。而乾電池耗電相當快,建議多準備一些乾電池。

  有些製作會加上LED燈(串聯即可),當陀螺在旋轉時,就會快速的閃亮,增加趣味性。但是否加裝LED燈,看個人喜好,不是一定需要。

  另一方面,由於要找到有凹洞的盤子並不容易,可以用乒乓球取代凹洞。如圖四左,是將乒乓球剪下一小片,用強力膠或熱熔膠黏貼在盤子上。

  而不容易取得的陀螺,也可以用乒乓球來製作。如圖四右,將乒乓球剪下一半(或略少於一半),在中央挖一小洞後插入牙籤當為轉軸(不能用圖釘,因為會被磁鐵吸住,無法轉動)。轉動的情形如圖五。

  「轉盤」可以用更方便取得的紙碗代替,建議使用碗底比較大而平的紙碗(如圖六),以方便黏貼磁簧管和漆包線電磁鐵。

觀賞實驗影片(0.97M)

  在教學上,可以指導學生探討以下問題:

1.為什麼陀螺中的強力磁鐵的擺放位置,必須讓南北極為水平方向,不可以為垂直方向?

答:水平擺放時,強力磁鐵隨著陀螺在旋轉,才會讓磁簧管感應到磁場變化,形成一開一關變化的效果。

2.漆包線電磁鐵與陀螺中磁鐵之間,是保持「排斥力」還是「吸引力」才可以讓陀螺轉個不停?

答:是排斥力。如果是吸引力,則如同剎車的效果,陀螺會馬上停下來。

3.製作成功之後,想要讓陀螺反方向轉個不停,如何辦到呢?

答:最方便的方法就是將電池的正負極方向顛倒即可。

參考資料:

陳坤龍老師部落格:(1) http://www.wretch.cc/blog/cdragonray/26784979

(2) http://www.wretch.cc/blog/cdragonray/26836462