磁鐵動力車
- 觀念物理
- 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：2019-12-01
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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。
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
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) ⊙
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) ⊙
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: ←
圖6：鐵棒中央磁場與磁力
11. 上一題B及FB的推導順序為何?
(A) 由B推FB (B) 由FB推B (C) 兩者皆可 (D) 以上皆非，B及FB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)
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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