致命引力

出自 全民科學平台
於 2019年3月7日 (四) 07:38 由 劉恩佑 (對話 | 貢獻) 所做的修訂 (使用材料)
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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。