國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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磁鐵歐拉盤

磁鐵變擺錘,轉轉轉不停!
器材:玻璃板、強力磁鐵

操作過程與現象

本網站曾經介紹過「歐拉盤」,是一種圓盤在桌面上的運動,例如圖一的銅板,在桌面上轉動,銅板會產生「自轉」(圖一藍色箭頭)與「滾動」(圖一綠色箭頭)的運動,還會發生很清晰的聲響。如果使用適當的材料,由轉動到靜止,可以長達二分鐘。

利用磁鐵,也可以產生類似歐拉盤的運動,不過是顛倒過來,在桌面底下轉動!操作過程如下:

1.準備一塊厚約2毫米的玻璃板(可用鏡子或硬的板子代替),在玻璃板的上方,放置一個薄的強力磁鐵,吸住下方12個強力磁鐵的磁鐵組,例如圖二。(註:下方磁鐵的數量可依實際狀況調整)

2.將下方的磁鐵組提高再放下,鬆手放下時,往磁鐵組落下的垂直方向輕輕的推一下,使磁鐵組可以進行圓周運動(如圖三)。

3.測量磁鐵組開始轉動到停止的時間,結果發現可以達到五分鐘之久。(註:一開始,要用手按住上方的磁鐵,以避免滑動或晃動,等下方磁鐵組轉動幾次之後,手就可以放開)

4.可以嘗試不同的磁鐵組合,例如圖四,結合不同尺寸的強力磁鐵與一般磁鐵,結果旋轉時間長達六分鐘!讀者可以自行嘗試不同組合方式,實驗是否能打破版主的紀錄。

本實驗利用玻璃板上方小磁鐵的磁力,吸引下方的磁鐵組不會掉下來。要注意下方磁鐵組銜接的磁鐵數量,不能太多也不能太少。如果太少(太輕),則會被上方磁鐵的磁力緊緊吸住,無法運動。如果太多(太重),重量超過磁力的吸引力,磁鐵組就很容易掉下來。

  

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原理:

玻璃板上方的磁鐵,以磁力吸住下方的磁鐵組,當下方的磁鐵組提起來再放下去,磁鐵組因為重力而掉落。磁鐵組的運動,其轉動的能量主要來自於「重力位能(gravitational potential energy)」變化。如圖三,下方的磁鐵組提起來後,位能增加(被提高了),被釋放落下後,位能轉換為動能,就能開始運動。而能夠持續的運動,就如同單擺,是因為位能與動能之間不斷的能量轉換,直到摩擦力與空氣組力逐漸消耗能量為止。

仔細觀察下方磁鐵組的轉動情形,可以發現磁鐵組與玻璃板,保持「點接觸」,而且接觸點圍繞著磁鐵的周圍進行圓周運動(圖五、六綠色箭頭),顯示磁鐵組進行「滾動」運動。另一方面,下方磁鐵組也同時進行「自轉」運動(圖五、六藍色箭頭)。對照圖一的銅板運動情形,主要差別只在於:銅板的歐拉盤運動是在桌面上;而磁鐵組的歐拉盤運動,是在桌面下!

 

叮嚀的話:

1.將下方磁鐵組提高之後,如果只是鬆手讓磁鐵組自由落下,則磁鐵組只會左右擺動,如同時鐘的單擺一般,而不會轉動。所以鬆手時必須往磁鐵組落下的垂直方向輕輕的推一下。

2.在教學上可以指導學生實驗與討論以下問題:(1)玻璃板上方的磁鐵,使用強力磁鐵或一般磁鐵,其差異為何?(2)如果將玻璃板改為較具彈性的薄壓克力板,實驗結果會有差別嗎?(3)玻璃板的厚度也可當為實驗變因之一,試驗不同厚度的板子有何差異性?

參考資料:

1. Educational Innovations, Inc.(2015):Eulers Disk. https://s3.amazonaws.com/cdn.teachersource.com/downloads/lesson_pdf/TOP-400.pdf

2. YouTubeInsane accidental discovery with Neodymium magnets. https://www.youtube.com/watch?v=KJHlwJ1gsms

3. YouTube:Rotation/Euler's Disc. https://www.youtube.com/watch?v=XKJPuxJBpdk