國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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楞次定律實驗

用簡易器材進行楞次定律實驗
器材:鋁箔罐、強力磁鐵、鋁箔紙、大吸管、木條、光碟片

操作過程與現象

「楞次定律」的實驗頗為常見,也相當有趣,但是器材通常不是很容易取得。以下實驗都是文具行、五金行就可以買得到的器材。

實驗一:緩降管

1.到文具行或美術材料行購買「大吸管」,直徑約1.2公分,長度約60公分。

2.將鋁箔紙(廚房用的長度約30公分)抽取出70公分,剪裁二張,再橫向以膠帶黏貼成60公分x 70公分(請注意銜接處鋁箔紙要重疊)。然後將大吸管捲起來(如圖一),捲的過程要注意盡量平整貼緊。

3.捲好鋁箔紙後,將大吸管頭尾不平整的部分剪掉,如圖二。

4.取一直徑1.0公分的強力磁鐵,由大吸管頂端自由滑落。仔細觀察包了鋁箔紙(圖三銀色吸管)和沒有包鋁箔紙(圖三紅色吸管),磁鐵掉到底部的時間差異如何?

以慢速播放實驗影片計時,沒有包鋁箔紙的紅色吸管,磁鐵掉到底部的時間是0.43秒,而包了鋁箔紙(銀色吸管)則達到1.25秒,慢了接近三倍。

 

實驗二:隔空煞車

1.以木條製作如圖四「煞車器」的構造:兩邊突出的木條分別挖二個洞,塞進強力磁鐵。洞不能太大,必須使強力磁鐵牢牢固定,而且兩邊磁鐵的磁力方向是同極相對(會互相排斥)。

2.以鋁箔紙完全包覆光碟片,表面儘量保持平整,並在光碟片中心塞入橡皮塞,橡皮塞的中心插入一根長竹籤。如圖五,將光碟片的竹籤架在燒杯的杯緣上(以光碟片底部不會碰到桌面為原則),再試著旋轉看看。如果旋轉不順暢,調整橡皮塞與竹籤的位置,務必調整到軸心位於光碟片的中心位置,旋轉才會順暢。

3.如圖五架好後,轉動光碟片旋轉(壓住竹籤用力旋轉),觀察光碟片是否能旋轉至少10秒以上?如果旋轉時間太短,再次調整橡皮塞與竹籤的位置。

4.開始實驗:轉動光碟片旋轉之後,將「煞車器」伸入光碟片之間,如圖六、圖七;觀察煞車器能否在3秒內就讓光碟片停止旋轉!注意:實驗過程煞車器不可以碰到光碟片。

 

實驗三:與磁共舞

1.取一空的鋁箔罐,用美工刀將底部切割下來,如圖八。注意:切割下來的鋁箔片非常銳利,很容易割傷手,請務必戴手套!

2.以剪刀將鋁箔罐底部的邊緣修剪(如圖九),再用砂紙將不平整的邊緣磨平,以避免割傷手。

3.取一強力磁鐵,如圖十;磁鐵接觸鋁箔,鋁箔並不會被吸引。

4.將鋁箔片放在壓克力板上面,強力磁鐵放在壓克力板下面,快速旋轉,結果鋁箔片會跟著磁鐵一起旋轉起來喔!(如圖十一)

 

 觀賞實驗影片(19.0M

原理:

俄國物理學家楞次(Heinrich Friedrich Emil Lenz,1804~1865)在1833年於聖彼得堡科學院(St. Petersburg Academy of Sciences)宣讀「關於用電動力學方法決定感生電流方向」的論文,並於1834年出版,後來被稱為「楞次定律」。

楞次定律的內容為「由於磁通量的改變而產生的感應電流,其方向為抵抗磁通量改變的方向」。以圖十二為例,當一個磁鐵插入金屬環時(圖左),磁通量發生了改變,於是金屬環會產生感應電流(藍色箭頭),而此感應電流所產生的磁場(綠色箭頭)與磁鐵的磁場(紅色箭頭)方向相反,二個磁場之間會產生排斥,阻止磁鐵進入金屬環。反之,如果磁鐵的運動方向是遠離金屬環(圖右),則感電電流與感應磁場也會反過來,二個磁場之間會產生吸引作用,阻止磁鐵遠離金屬環。

因此實驗一的磁鐵在金屬管子(鋁箔紙)中掉落時,如圖十三所示;磁鐵的上方,感應電流為順時針方向,感應磁場與磁鐵的磁場方向相同,因此互相吸引(如同二塊磁鐵異極互相吸引,磁場方向是相同的)。而磁鐵的下方,感應磁場與磁鐵的磁場方向相反,因此互相排斥。由於磁鐵上方有吸引力,下方有排斥力,因此磁鐵掉落的速度就會減慢了。

實驗二、實驗三如同上述的原理,只是金屬環換成金屬片。而實驗二光碟鋁箔片的轉動或是實驗三磁鐵的運動,都可視為如同圖十二右邊磁鐵「遠離」的運動,因而有「吸引」的結果,所以實驗二的光碟鋁箔片就會因為被吸引而煞車,而實驗三的鋁箔就會就跟著磁鐵一起旋轉了。

楞次定律的實驗有相當多種的設計,例如右圖是將鋁箔罐的鋁箔剪成細長條,以膠帶黏貼為小圈圈,然後用二條縫衣線懸掛起來。實驗時以強力磁鐵(用膠帶黏貼在簽字筆上)反覆的插入、抽出(注意不要碰觸到小圓圈),小圈圈就會來回的盪鞦韆喔!

 

叮嚀的話:

1.實驗一如果使用銅管或鋁管,磁鐵緩慢掉落的效果會更為明顯,但是成本較高。另一方面,如果買不到長60公分的大吸管,也可以使用喝飲料用的大吸管(直徑1.2公分、長20公分),將二支大吸管以膠帶黏貼成一支使用。

2.實驗二以鋁箔紙包覆光碟片時,可以使用膠水黏著,讓鋁箔紙更為平整。

3.實驗三中剪下來的鋁箔片,務必保持圓形,旋轉時才能平穩順暢。

4.本實驗的科學概念與操作適合國中以上,在教學上可以指導學生實驗與討論以下問題:(1)實驗一的鋁箔紙捲的圈數,是否會影響磁鐵掉落的時間?(2)試驗不同磁力的磁鐵,觀察對於實驗三鋁箔片的旋轉有何影響?

參考資料:

1. 國立臺灣大學普通物理實驗室:http://web.phys.ntu.edu.tw/gphyslab/modules/smartsection/itemaec4.html?itemid=24

2. 海因里希·楞次- 台灣Wik

3. Electromagnetic Inductionhttp://sdsu-physics.org/physics180/physics180B/Chapters/phys180Bch22.htm

4. Department of Physics - UC Santa Barbarahttp://web.physics.ucsb.edu/~lecturedemonstrations/Composer/Pages/72.09.html