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   回首頁   

陀螺與磁鐵的共舞

陀螺與磁鐵的組合,會擦出什麼火花呢?
器材:竹籤、強力磁鐵、金屬墊片、陀螺

操作過程與現象

每個人小時候應該都有玩過陀螺,如果陀螺加上磁鐵,會有什麼奇妙的現象呢?

實驗一

首先準備一個環形磁鐵(一般磁鐵或強力磁鐵皆可),中央的洞不要太大,以便插入竹籤。如果磁鐵的洞太大,用膠帶纏繞竹籤,以配合洞的大小。然後再加上金屬墊片吸附在磁鐵上,並將竹籤的長度剪短,就完成一個簡易的磁鐵陀螺了。

將磁鐵陀螺旋轉,仔細觀察,陀螺除了自轉,也會「進動(precession)」:自轉軸(竹籤)會以垂直軸為中心旋轉(如圖一紅色箭頭軌跡)。尤其陀螺的自轉速度越慢的時候,進動情形會越明顯。

當磁鐵陀螺有進動情形時,拿另一個磁鐵由上方慢慢接近陀螺。以異極接近(如圖二陀螺的磁鐵N極朝上,上方靠近的磁鐵S極朝下),實驗結果可以發現,陀螺的進動減少了,甚至直立自轉,沒有進動了。反之,如果以同極接近,如圖三,則陀螺的進動角度變大,甚至會倒下來喔!

 

實驗二

本實驗是羅馬尼亞Ioan Grosu教授的發明(參考資料1、2),並於1987年獲得美國的專利(Patent No. 91857)。原始設計是使用木製陀螺,但是為了方便,版主以玩具陀螺代替。

如圖四,玩具陀螺有中空的突出轉軸,以小顆的強力磁鐵塞進去並固定,除了可以進行實驗一,還可以玩「陀螺接龍」。

首先製作玩具陀螺二到三個(塞進磁鐵的方向都要一樣),完成後,分別旋轉陀螺,再以強力磁鐵吸引一個玩具陀螺(如圖四),吸起來之後移到另一個玩具陀螺上方(如圖五),再吸引之,以完成接龍。最後看能吸引多少個玩具陀螺?注意:吸引之後陀螺還是要一直旋轉,不能停喔!本實驗最好在光滑的桌面進行,以利陀螺可以旋轉更久。

  

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原理:

「進動」是自然界中常見的一種現象,也是陀螺運動時的特徵之一(參考資料3、4)。如同陀螺,地球除了自轉,也會有進動。地球進動的週期大約是兩萬六千年左右,目前地球的自轉軸大約對著北極星,如圖六;但是再經過一萬多年後,就會因為進動而對著織女星了(參考資料5)。

 

而外加磁場與陀螺進動之間的交互作用,則是「核磁共振」(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)的基本原理,廣泛應用在醫學、化合物結構分析、地質勘探等等。相關的原理屬於科學專業領域,有興趣的讀者,可參閱參考資料6、7。

叮嚀的話:

1.製作實驗一的磁鐵陀螺,如果使用的墊片太小,旋轉比較不容易持久(因為轉動慣量較小)。建議使用直徑3~5公分的墊片。而操作時,上面的磁鐵靠近陀螺時,注意慢慢地靠近,不要太快。以避免異極接近時,陀螺被吸上來;而同極接近時,磁鐵接近太快,陀螺會立即倒下,而無法觀察到進動的變化情形。

2.要完成實驗二的「陀螺接龍」,需要配合陀螺的重量選用不同磁力的磁鐵,如果磁力太小,陀螺容易掉下來;如果磁力太大,陀螺被吸引後,容易很快就停止轉動。

3.無論實驗一或實驗二,都可以進行「誰轉最久」的遊戲。將陀螺旋轉後,磁鐵以異極方向接近陀螺,控制高度距離,可以使陀螺因為有往上的吸引力,減少了與桌面的摩擦力,因而可以旋轉更久。

4.本實驗的概念難度屬於高中以上,但是操作難度不高,國小高年級就可以進行操作。在教學上可以指導學生討論與實驗以下問題:(1)不使用外加磁鐵,探討改變實驗一中金屬墊片的大小,對於陀螺的進動有何影響呢?(2)不使用外加磁鐵,陀螺的自轉軸(竹籤)的長短,對於陀螺的進動是否有影響呢?(3)使用外加磁鐵吸引陀螺,比賽「陀螺接龍」(吸引最多陀螺)、「誰轉最久」(陀螺旋轉最久),或是「陀螺競走」(最快走完指定路線)。

參考資料:

1. Driven Spinning Tophttp://drivenspinningtop.blogspot.tw/

2. First Scientix European Conferenc 2011--Driven Spinning Tophttp://files.eun.org/scientix/posters/PosterScientix_Spinning%20top.pdf

3. 格物致知學習網站--進動(precession):

 http://memo.cgu.edu.tw/yun-ju/CGUWeb/PhyChiu/H104Rotation/Precession.htm

4. 中興大學物理學系--普物演示廳:http://ezphysics.nchu.edu.tw/physiweb/device/exp7.htm

5. 成功大學物理系:http://www.phys.ncku.edu.tw/~astrolab/e_book/history_c/captions/precession.html (進動歲差)

6. 中央研究院 原子與分子科學研究所--核磁共振原理簡介:http://w3.iams.sinica.edu.tw/lab/lphwang/theory.htm

7. 國立交通大學資訊技術服務中心--檢查脊髓的利器:核磁共振攝影 ( MRI ):http://web.it.nctu.edu.tw/~hcsci/hospital/ins/mri.ht