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
- 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。
- 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。
- 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。
- 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 裁切工具
競賽說明
- 裝置與製作說明:
- 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。
- 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。
競賽說明
- 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。
- 各隊時間:5 分鐘(不含裁判評分)
- 競賽程序與規定:
- 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。
- 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)。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 堆積期間不得以手扶或觸碰電磁鐵,否則不于計分。
- 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。
- 得點計算
- 各組高度記錄 R,依據下式計算之:R=H-h
- 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 裁切工具
競賽說明
- 裝置與製作說明:
- 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。
- 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。
- 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。
- 在軟鐵棒下方的墊圈座,限以磁力固定。
- 競賽說明
- 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。
- 競賽時間:5 分鐘(不含裁判評分)
- 競賽程序與規定:
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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,否則成績不計以下各項取 0~6 點的範圍給點數,滿點數為 30 點,需具備有電磁感應功能。
- 競賽重點:
器材
大會提供各隊: 品名 規格 數量 備註 透明膠帶 細的,寬約 1.2cm 一小捲 1.製作電磁鐵用。 2.兩支電磁鐵共用於活 動一與活動二。 漆包細銅導線 直徑約 0.4mm、長 30m 兩份 塑膠管 口徑約 15mm、長度 10cm 2 支 軟鐵棒 長度 10cm 直徑 1cm 2 支 鐵墊圈 4〞、直徑約 1.9 cm 10 個 8〞、直徑約 2.2 cm 10 個 共用於活動一與活動二 16〞、直徑約 2.5 cm 10 個 塑膠尺 30 cm 一把 大迴紋針 長度約 4.8 ㎝ 一支 包塑膠皮 手套 一般,棉質的工作手套 2 雙 賽後大會回收。 導線 僅於競賽評分用,不提 密封式可充電蓄電池 6.0V 供參賽者測試。 自備 1. 自製紙隊旗:兩小面,長與寬均應大於 0.5 ㎝,厚度不限。 2. 裁切工具,如:剪刀(大會不提供電源)。 3. 活動三創意競賽作品。 五、時間 製作時間(含說明及領取材料):30 分鐘 評審時間:每隊活動一與活動二各 5 分鐘,18 隊共 40 分鐘。 六、評等 將活動一與活動二的得點相加後,依六等第計分法排序決定名次,分數最高的隊伍頒 發單項優勝獎,若分數相等時,以活動一得點數最高者獲獎。若活動一的得點再相同時, 以活動二原始成績高低相較,高者為優勝。