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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「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。

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）。

1. Driven Spinning Top：http://drivenspinningtop.blogspot.tw/

2. First Scientix European Conferenc 2011--Driven Spinning Top：http://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