致命引力

目的

利用自己纏繞的線圈中間放入軟鐵棒，當線圈通電後就成為電磁鐵。若把鐵墊圈放在磁極上磁化，可因磁的吸引力將墊圈當作積木堆積成各種造型。
由這些操作中，可學習到電磁鐵原理、磁感應現象及一些磁鐵的性質，此外疊放積木時也可學到工程上非常重要的靜力平衡原理。

原理

1. 將導線繞成線圈通以電流後成為電磁鐵，若線圈內插入軟鐵棒其磁性可增強。這樣的電磁鐵可用電流的開關來控制其磁性的產生與消失，如圖 2-1。
2. 改變通入線圈的電流及其單位長度內所纏繞的圈數，可改變電磁鐵的磁場強度。
3. 積木只受重力作用時，上層積木之共同重心的鉛垂線不能超過襯底積木的外側邊緣，否則將因為重力的力矩作用而崩塌。
4. 積木若同時受重力與磁力的作用，則兩力的合力矩才是決定堆積時是否崩塌的原因。

活動一：墊圈塔

使用材料

• 透明膠帶
• 漆包細銅導線
• 塑膠管（製作電磁鐵用）
• 軟鐵棒
• 鐵墊圈
• 導線
• 密封式蓄電池
• 塑膠尺
• 大迴紋針
• 棉手套
• 隊旗
• 裁切工具

競賽說明

1. 裝置與製作說明：
   1. 除隊旗以外均應利用大會所提供的材料製作（不一定全用到，但不得用其他材料），設計如圖 2-2 之墊圈高塔。
   2. 電磁鐵：現場用大會提供的漆包線纏繞於塑膠管上做成線圈，在線圈內部置入長度10cm 的軟鐵棒，即製作完成一個電磁鐵。線圈形狀可自行設計，每隊四人，共製作兩支電磁鐵。
   3. 旗杆：必需用迴紋針製作，形式不拘、可自行設計。
   4. 旗幟：限用「紙」的質材製作，形狀以「平面」為限，面積大小在 1～25 平方公分內。
   5. 底座：電磁鐵下方限用以磁力來固定的鐵墊圈為底座。
2. 競賽說明：
   1. 競賽重點：利用大會所提供的材料及參考作法，設計電磁鐵並進行墊圈疊高，比比看誰可以設計並製作最高的墊圈高塔。
   2. 各隊時間：5 分鐘（不含裁判評分）
   3. 競賽程序與規定：
      1. 全隊四人分成兩組，5 分鐘內依序堆積兩組墊圈塔，如圖 2-2 所示，逾時部分不計分。
      2. 各隊被點名叫號後，負責手扶電磁鐵的參賽者，先戴上棉質工作手套再手扶著電磁鐵，將其鉛直豎立放於桌面的鐵墊圈底座上（式樣自行設計）。
      3. 參賽者依裁判指令，在裁判接通電源線後手離電磁鐵，計時開始並進行堆積高塔的競賽。在競賽的同時，裁判可由背景刻度板讀出電磁鐵鉛直高度，紀錄為 h（含當底座的墊圈高度），精確度到 0.5 公分為止。
      4. 第一組堆疊完成（或宣佈放棄）後，應立即通知裁判，若作品可維持 3 秒而不倒，裁判隨即暫停計時，並進行測量及記錄第一組墊圈塔的總高度 H。塔高 H 的最高測量點，是旗桿的頂點，不計旗面高度；其精確度亦以 0.5 公分為準。
      5. 等待的第二組競賽人員，於第一組計分完成後，再聽裁判指令，開始計時後進行並完成堆積第二個墊圈塔。
      6. 電磁鐵上堆積高塔的每個墊圈必須為鉛直豎立形式，不得平放。此外插旗用的迴紋針下端不得低於電磁鐵頂端，否則不于計分。
      7. 堆積期間不得以手扶或觸碰電磁鐵，否則不于計分。
      8. 堆積期間倒塌可從頭再來或宣佈放棄，但計時不停止，繼續累積。
   4. 得點計算：
      1. 各組高度記錄 R，依據下式計算之：R＝H－h
      2. 各隊活動一最後的計點成績為兩組堆高記錄 R1和 R2的總和，即總點數為 R1＋R2。

活動二：墊圈拱橋

使用材料

• 透明膠帶
• 漆包細銅導線
• 塑膠管（製作電磁鐵用）
• 軟鐵棒
• 鐵墊圈
• 導線
• 密封式電池
• 塑膠尺
• 大迴紋針
• 棉手套
• 隊旗
• 裁切工具

競賽說明

1. 裝置與製作說明：
   1. 在平放於水平桌面的刻度板上，選兩個適當位置，以鐵墊圈為底座鉛直豎立兩支電磁鐵做為拱橋柱。
   2. 當兩支電磁鐵分別接通到密封式電池的電源線上時，由於底座的鐵墊圈立即被磁力吸住而能使拱橋柱固定。
   3. 手扶兩根電磁鐵所做的基柱，依據電磁感應原理及靜力平衡原理，水平橫向連接鐵墊圈進行搭橋並適當調整間距，當手放開電磁鐵時，若它們能穩定不倒，則完成拱橋如圖 2-3。
   4. 在軟鐵棒下方的墊圈座，限以磁力固定。
2. 競賽說明：
   1. 競賽重點：利用大會所提供的材料（同活動一）及參考作法，設計兩個電磁鐵並進行搭橋比賽。比比看誰可以搭建橋面距離最長的拱橋。
   2. 競賽時間：5 分鐘（不含裁判評分）
   3. 競賽程序與規定：
      1. 全隊四人分成兩組，5 分鐘內依序堆建兩組拱橋，如圖 2-3 所示，逾時部分不計分。
      2. 各隊等待叫號前，負責手扶電磁鐵的參賽者，先戴上棉質工作手套準備。
      3. 各隊被叫號就位後，第一組兩位參賽者可在平放於水平桌面的刻度板上，選兩個適當位置，以鐵墊圈為底座鉛直豎立兩支電磁鐵做為拱橋柱並用手扶著，聽候裁判指令。當裁判接通電磁鐵的電源線後，立即開始計時並進行搭橋競賽。
      4. 參賽者搭好拱橋並調整跨距後，必須把使用迴紋針為旗杆的隊旗，鉛直豎立在以墊圈懸空連接而成的拱橋上方，當競賽者向裁判宣佈完工並雙手離開電磁鐵起，若作品可維持 3 秒而不倒，則裁判立即暫停計時並測量及記錄跨距 D。
      5. 跨距 D 的量度為兩根電磁鐵外側的距離，並以 0.5 公分的精確度為準。
      6. 拱橋必須是由墊圈連接懸空成形才算合格，此時裁判即可由桌面上刻度線讀出跨距D，作為成績記錄。
      7. 等待的第二組競賽人員，於第一組計分完成後，再聽裁判指令，開始計時進行並完成搭架第二組拱橋。
      8. 計時開始後，參賽各組立即進行搭建墊圈拱橋，搭橋期間可以用手扶電磁鐵，但以該組兩人為限，否則成績不計入。
   4. 得點計算：最後的計點以兩組跨距之總和 D1＋D2為本項計點數。