神龍戲珠

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實驗目的

用直流電源的啟閉,可控制自製螺線管線圈電磁鐵的磁力之產生與消失。若同時在管內放入一隻用迴紋針加工自製的「神龍」,則因為它可被感應而磁化成為磁鐵。藉兩磁鐵間磁力的交互作用,可使神龍成為拋體,而自螺線管內射出,以進行射遠與射準的比賽。

原理

在塑膠水管上用漆包導線纏繞成為線圈,並在管內放入軟鐵棒,則當線圈通以電流時,不但線圈成為電磁鐵,其管內之軟鐵棒也立即被磁化成為磁鐵,這兩個磁鐵的磁力產生了交互作用現象。如果用開關來控制電流的啟閉,則調整軟鐵棒放入的深度,可使棒子被吸入管內,當其被吸入的運動過程中,適時切斷電流,則兩磁鐵的磁力同時消失,互相作用力也消失,但鐵棒仍有運動的慣性,使它能從管內吐出,這就是所謂「神龍出洞」。


如果在管口加放一保力龍球作為龍珠,則鐵棒出洞前將會把保力龍球撞出,稱這種現象為「神龍戲珠」。本項競賽就是利用上述原理,來設計神龍出洞與神龍戲珠的比賽。為簡單明瞭,將相關原理條述如下:

  1. 把漆包導線在塑膠水管上繞成線圈並通以電流後就成為電磁鐵,這樣的電磁鐵可用開關來控制電流使其磁性產生或消失,如圖。
  2. 改變通入線圈的電流大小及其單位長度內所纏繞的導線圈數,即可改變電磁鐵的磁場強度。
  3. 軟鐵棒在磁場中可被磁化為磁鐵,在被磁化瞬間,它和原本的磁場產生磁力交互作用,所以鐵棒會產生運動。
  4. 若在鐵棒產生運動時,瞬間將電源切斷使磁場消失,磁的交互作用力也消失,此時鐵棒的運動慣性可使它射出塑膠管外,射出時可為水平拋射或斜向拋射,也可用鐵棒去撞擊小球,使球做拋射運動。
  5. 初速v0的水平拋射,如下圖(A),若出發點高度為h,則其水平射程x為:
  6. 初速v0仰角θ的斜向拋射,如下圖(B),若出發點高度為h,則其射程x為:


準備材料

  1. 透明膠帶
  2. 漆包銅導線
  3. 塑膠管(製作電磁鐵用)
  4. 波霸吸管
  5. 導線
  6. 圓押扣電開關
  7. 密封式蓄電池
  8. 保力龍球
  9. 塑膠尺
  10. 大迴紋針
  11. 棉手套
  12. 砂紙
  13. 剪線鉗
  14. 繞線工具
  15. 發射架
  16. 彩繪筆

活動一:神龍出洞

裝置與製作

圖三
  1. 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。線圈形狀可自行設計,每隊四人,共製作兩支電磁鐵。
  2. 神龍:將波霸吸管剪下一段,並在前端緊緊塞入保力龍球,然後用迴紋針(代替軟鐵棒)插入吸管內做成神龍,每隊製作神龍六隻,其造型大小及形式不拘、可自行設計(如圖三)。
  3. 發射架:每隊必須在家自行設計與製備發射架一組,形式不拘,但高度不得高於1公尺。
  4. 神龍之龍身可自行彩繪,但不得增添大會供應以外的材料。

競賽程序和規定

  1. 全隊四人分成兩組,每組兩人,一人為射手,另一人為助理。全隊兩組在6分鐘內依序使用架好的發射架進行神龍射遠競賽,神龍發射時。
  2. 競賽中各隊被點名叫號後,各隊第一組射手可立即戴上棉質工作手套,並將發射架固定在發射基準線上,再就位手扶著電磁鐵作發射的準備。發射區場地之配置如圖四所示。
  3. 競賽時,須依裁判指令,才能開始進行瞄準動作,並發射神龍,每組共可發射三隻。神龍落地停止後,以尾端所在位置為計點基準。越出發射區範圍時,以出界區的點數扣2點計算,壓線無法判斷時以較小點數區計點。
  4. 第一組發射完成後,等待的第二組競賽人員,不必等待裁判指令,可立即接手進行發射,但總時間不得超越6分鐘,若有逾時,逾時發射的神龍不予計點。
  5. 各隊兩組發射完六隻神龍後,必須將所發射的神龍撿拾乾淨並取走發射架,否則每一件將扣除其所得點數1點。
  6. 全隊各組助理除協助射手外,也應自行觀察得分狀況,若對記錄有異意,應立即提出,事後不受理。

得點計算

  • 全隊兩組六隻神龍飛行距離的點數相加即為活動一的總成績。
圖四

活動二、神龍戲珠

材料

除活動一的所有材料外,再增加:

  1. 保力龍球10個(作為龍珠)
  2. 美工刀
  3. 彩筆若干支(數量自行決定)。

製作說明

  1. 可使用方法一或再行改良或另行製作的六隻神龍作為撞針。
  2. 將保力龍球用彩色筆自行彩繪做成六個龍珠。
  3. 把神龍撞針放入電磁鐵的塑膠管內,再放保力龍球(龍珠)於管內,比賽時只要瞄準目標,將線圈通以電流後即可用神龍撞龍珠,將龍珠射出。


多層探究

為什麼電磁鐵要用直流電,不用交流電?

活動影片