教育 物理

觀念物理:磁鐵動力車

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撰文者:張慧貞 (國立彰化師範大學 物理學系物理教育組 教授)
發文日期:2019-11-21
點閱次數:537
  • 108課綱強調科學的「探究與實作」,究竟兩者有何關係?關鍵的元素有哪些?執行流程該如何呢?透過「磁力電動車」的探討,結合理論與現象觀察,讓我們體驗「探究與實作」的內涵與精神。

    小試身手
    如圖1,一根鐵棒,橫跨於有外加電池的平行鋁製軌道上,則鐵棒並不會運動。
    但若換一根較短鐵棒,兩端各吸一個圓形磁鐵,讓磁鐵接觸有外加電池的鋁製軌道上 (如圖2),則可以使 [磁鐵+鐵棒](簡稱為磁棒組),往左或往右加速滾動。以下將探討,磁棒組滾動的原理。
    fig1 fig2
        圖1:鐵棒靜止不動                                                                                       圖2:磁棒組加速滾動

    1.    請根據圖3之器材,推測通電後,磁棒組上的電流方向
           (A)
    ­­ ↑ ­­(B) ↓ (C) 無法判斷
    fig3
    圖3:器材裝置俯視圖

    2.    若磁棒組上,兩磁鐵之磁極方位如圖4所示,則兩磁鐵是否能吸住中央鐵棒?(請實驗操作後作答)
           (A) 可以  (B) 不可以 
    3.    上一題的結果,是否推翻磁極 [同極相斥、異極相吸] 的說法?
           (A) 推翻  (B) 沒有推翻
    4.    承上題,磁極方位如圖4 (俯視圖) 所示,且鐵棒中央側視圖如圖5,則磁鐵對鐵棒中央P點的磁場方向為何?
           (第4~6題,以側視圖作答)
           (A)
    ­­ ↑ ­­(B) ↓  (C) ←  (D) →  (E) ⊗  (F) ⊙  
    fig4
    圖4:磁極方位

    5.    承上題,推論圖5中鐵棒P點,所受的磁力方向為何?
           (A)
    ­­ ↑ ­­(B) ↓  (C) ←  (D) →  (E) ⊗  (F) ⊙ 
    fig5
    圖5:鐵棒中央側視圖

    6.    承上題,圖5中,鐵棒Q點上所受的磁場 (B) 與磁力 (FB) 方向,有哪些與P點反向?
           (A) 只有B反向  (B) 只有FB反向  (C) 兩者皆反向  (D) 兩者皆不反向   
    7.    承上題,造成磁棒組運動的原因,需用到以下哪些定則?
           (A) 只需「安培右手」定則                        (B) 只需「右手開掌」定則  
           (C)「安培右手」及「右手開掌」皆需要   (D) 兩者皆不需要  
    8.    另取一個磁棒組 (磁極方位未知),若通電後,磁棒組向右加速滾動,則磁鐵所受到軌道作用的摩擦力方向應為何?
           (A) →  (B) ←  (C) 摩擦力為零
    9.    承上題,磁棒組往右加速滾動的過程,則磁力對磁棒組的運動效果為何?
           (A) 順時針轉動,且向右平移    (B) 原地順時針轉動  
           (C) 向右平移,不轉動               (D) 原地靜止不動
    10.  承上題,已知鐵棒之電流方向為射入紙面 (⊗)(如圖6),則造成磁棒組往右滾動的原因,是在鐵棒中央Y點處的磁場 (B) 及磁力 (FB)           方向各為何?
           (A) B:↑, FB: →  (B) B:→, FB:↓  (C) B:←, FB:↑  (D) B:↓, FB: ←
    fig6
    圖6:鐵棒中央磁場與磁力

    11.    上一題BFB的推導順序為何?
             (A) 由BFB  (B) 由FBB  (C) 兩者皆可  (D) 以上皆非,BFB是獨立推得的
    12.    承上題,若磁棒組之電流為 (↑)(俯視),且磁棒組往右加速滾動,則推論磁極方位,應為圖7中之何者?
             (A)                         (B)                          (C)                              (D) 

                   fig7a         fig7b        fig7c        fig7b
    13.    若想使磁棒組由向右滾動,變為向左滾動,則可以調整以下那些?
             (A)只有將電池正負極反接  (B)只有將磁鐵NS極反轉   (C)兩者任一皆可  (D)兩者同時反轉  (E)以上皆非   



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