國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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爬坡轉子

一邊旋轉一邊爬坡的趣味實驗!
器材:漆包線、強力磁鐵、乾電池、木板、迴紋針、吸管

操作過程與現象

「簡易馬達」是很多趣味科學實驗的主題之一。舉例簡易的製作方法如下:

1.如圖一;以漆包線捲成圓圈(約三圈即可),並以砂紙將左右二端漆包線的漆磨掉,製作為轉子。

2.剪一小段吸管,分別插入圖一中漆包線轉子的左右二側。

3.取二根小迴紋針,彎折如圖二,分別接在乾電池兩端。

4.將漆包線轉子放進迴紋針的勾槽中,再將強力磁鐵吸附在乾電池上,就可以看到漆包線轉子快速的轉動起來了!(如圖二)

 

為了增加實驗的趣味性,除了旋轉、也可以讓漆包線轉子爬坡喔!製作方法如下:

1.如圖三、圖四;取一木板,在木板上等距離的排放強力磁鐵(同極朝上,相距的空隙約0.5公分)。為了固定強力磁鐵,建議以電鑽挖洞,再將強力磁鐵塞進洞裡。

2.在磁鐵上方(高約2公分)放置兩條銅線,銅線相距約5公分。完成後,在二條銅線尾端分別連接電池的正負極(如圖三左側)。

3.將木板的一邊墊高,形成斜坡。最後將轉子放在較低的一端(如圖四右端),轉子就會一邊旋轉一邊往上爬坡囉!

 

觀賞實驗影片(13.0M

原理:

漆包線會旋轉的原因,是由於電磁感應的作用。以圖五為例,利用右手開掌定則,在轉子的圈圈的上方,右手的拇指為電流方向(黑色箭頭,朝右),此方向為電池電流的流通方向。其他四指為強力磁鐵的磁場方向(綠色箭頭,朝上);因此代表運動方向的掌心方向(紅色箭頭,朝向讀者),使得轉子轉動。反之,在轉子的下方,電流的方向相反,所以運動方向為遠離讀者,因此轉子會持續快速的旋轉。

利用轉子有特定的旋轉方向性質,而且轉子的兩端接觸銅線後(見圖四),由於摩擦力的作用(如同輪胎與地面之間有摩擦力),轉子就會一邊旋轉一邊前進了。另一方面,由於木板上排放了數顆強力磁鐵,當轉子前進後離開了第一顆磁鐵的作用,就由第二顆磁鐵繼續作用,如此就形成轉子持續轉動、上坡的現象了。但是請注意轉子的旋轉方向是否與爬坡方向一致,如果轉子往下坡的方向轉動,則只要對調乾電池的正負極,或者調換轉子的方向就可以了。

 

叮嚀的話:

1.以漆包線製作圖一的轉子時,建議不要使用太細的漆包線,以免當為旋轉軸的漆包線太軟,產生扭動而使旋轉不順暢。

2.轉子的直徑不要太大,建議和強力磁鐵的直徑相當即可。

3.讓轉子爬坡的實驗中,常會發生轉子只在原地轉動,而不會前進(爬坡)。原因包括摩擦力太小、木板斜坡太大、轉子轉速太快等因素。調整方法為:(1)降低斜坡;(2)增加轉子漆包線的圈數(增加重量);(3)增加轉子與強力磁鐵之間的高度,以降低作用力,減少轉速。

4.本實驗的原理概念適合國中以上,但是操作難度國小高年級應可勝任。在教學上可以指導學生實驗與討論以下問題:(1)觀察與紀錄強力電磁的方向、電流方向以及轉子的繞圈方式(順或逆時針),對於轉子的旋轉方向有何影響?(2)製作完成爬坡轉子後,比賽誰的爬坡速度(爬坡距離)或是爬坡能力(斜坡角)最佳?

參考資料:

1. YouTube影片:http://www.youtube.com/watch?v=it_Z7NdKgmY

2. Educational Videos and Games for Kids about Science, Math, Social Studies and Englishhttp://www.neok12.com/php/watch.php?v=zX5b4c696f007c5c7d525a6b&t=How-It-Works