鐵棒中的磁鐵

一個強力磁鐵掉落於非鐵磁材料金屬管中，會遭遇到下落阻力，請探究此現象。 Magnetic brakes：When a strong magnet falls down a non-ferromagnetic metal tube, it will experience a retarding force. Investigate the phenomenon. (Problems for the IYPT 2014)

材料準備

1. 鋁管X1
2. 強力磁鐵X5
3. 砝碼X若干
4. 電子秤X1
5. 細繩X若干
6. 膠帶X若干
7. 自備手機計時X1

探究與實作引導步驟：

操作面以A及B兩大部分進行，A部分為師生討論，由學生自行規劃，B則是經由指定的初步規劃，操作者得以做某種程度之修訂，並以實作切入的方式進行。極力建議同學，請務必先進行A部分之探究，再和B部分之初步規劃過程作比較。

A.

教師可以引導學生以十五分鐘的時間，先思考探究本題目，並依據可以整理出的相關參數，自行規劃相關實驗，尤其注重以實驗數據圖呈現出相關參數造成的實驗結果，並試著從圖中萃取出重要的物理量。視狀況，也得以逕自由第二部分開始，以實作為主、再佐以探究的方式進行。

B.

請將A部分自行規劃之內容，和本實驗下列各項的規劃，做一比較，試著解釋差異性。一旦確認各項初步規劃，請進行相關實驗，並在實驗中斟酌探究內容。

1. 一塊強力磁鐵在空中靜止釋放，使其掉落與鋁管等高的高度差，此掉落接近自由落體，掉落過程中的速度對時間的關係式V(t)為何？全程共需要多少秒？
   1. 如何從實驗中歸納出，在空中掉落時，其速度與時間之關係圖V(t)。
   2. 操作上，可以自不同高度靜止釋放物體，再進行推理。
2. 將該塊強力磁鐵從鋁管之管口靜止釋放，求磁鐵在鋁管內的運動速度相對於時間的關係式？全程共需要多少秒？
   1. 如何從實驗中歸納出，在鋁管中掉落時，其速度與時間之關係圖V(t)。
   2. 操作中，如何確認鋁管為鉛直？不會造成磁鐵與管壁之摩擦？
3. 強力磁鐵在鋁管內掉落時，除了重力作用外，顯然受到其它作用力，該作用力為何？如何簡易描述？
   1. 磁鐵在管內減緩下降，表示一定受到阻力，猜測過程中可以先提初步想法，不必然要推理出相關細節。
4. 如果逐漸增加強力磁鐵數量（本實驗提供的是相同的強力磁鐵），則在鋁管內掉落狀況與全程所需時間有何變化？由全程掉落所需時間與強力磁鐵數量作圖，從數據圖中可以歸納出哪些可能結果與造成因素？
   1. 先猜測分別不同數量磁鐵實驗時，與其對應下落全程所需時間之關係為何？
   2. 如何解讀實驗結果？
   3. 秤磁鐵時，如何避免磁鐵對電子秤之影響？
5. 固定強力磁鐵數量，改變掉落物體的總質量，由全程掉落時間對總質量作圖，從數據圖中可以歸納出哪些結果與造成因素？
   1. 能理解獨立出的參數為何？
   2. 先猜測分別固定磁鐵數，但是改變掉落物體的總質量實驗時，與其對應下落全程所需時間之關係為何？
   3. 如何解讀實驗結果？
6. 改變強力磁鐵數量，但是維持掉落物體的總質量，由全程掉落時間對強力磁鐵總數量作圖，從數據圖中可以歸納出哪些結果與造成因素？
   1. 能理解獨立出的參數為何？
   2. 先猜測分別改變磁鐵數，但維持掉落物體的總質量實驗時，與其對應下落全程所需時間之關係為何？
   3. 如何解讀實驗結果？
7. 如果使用的是銅管，相對於鋁管，預期會有何不同？探究中需要注意哪些參數？
   1. 鋁管與銅管在本質上之異同？
   2. 採用任一非鐵金屬管時，有哪些參數可以探究？
   3. 為何要採用非鐵磁材料金屬管？