高斯加農砲(Gaussian cannon)

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原始設計者:彰師大


在一直線軌道由左至右排列著一系列釹鐵硼磁鐵和鋼珠(如圖一),將一顆鋼珠放置於軌道左側,使鋼珠被磁力吸引而撞上磁鐵,隨後最右側的鋼珠會快速射出,請探究此現象(參閱影片一)。



實驗材料:

  • 1.圓柱形釹鐵硼磁鐵10個(直徑11mm高7.157mm)
  • 2.鋼珠30顆(直徑12mm)
  • 3.電線壓條1公尺4條
  • 4.碼錶
  • 5.捲尺1個
  • 6.膠帶
  • 7.指北針1個


(圖一、高斯加農砲示意圖)


(影片一)

1.現象說明

如影片所示:



(影片一、高斯加農砲單次加速)

(影片二、高斯加農砲二段加速)


請探究影片一跟影片二之裝置相同處與相異處



2.探究問題(此為引導,學習者必須要提出合理的假說)

  • 2.1思考鋼珠為何會加速?
  • 2.2使用不同的鋼珠數量會有何差別?
  • 2.3哪些變因可能會影響鋼珠的速度?
  • 2.4磁鐵的N、S極對調是否會影響鋼珠加速?
  • 2.5若鋼珠加速的動力來源為磁鐵之磁力,那麼在發射數十次之後,磁鐵的磁力是否會減弱甚至失去磁性?
  • 2.6在整個系統中是否遵守能量守恆?
  • 2.7如何設計一組高斯加農砲使鋼珠儘可能以最快的速度發射?



3.實作項目

  • 3.1拿掉磁鐵只留一排鋼珠作為對照組,觀察在沒有磁鐵的狀況下,是否鋼珠依然會被加速
  • 3.1.1記錄觀測結果


  • 3.2針對影片一的現象。設計出一項實驗,在固定磁鐵的情況下,記錄不同鋼珠數量與發射速度之關係。
本實驗提供三種建議方法以量測鋼珠之速度。(方法一:用碼錶計時鋼珠在移動固定距離花了多少時間。方法二:將軌道傾斜45度,紀錄鋼珠爬坡了多少高度,以位能推算動能。方法三:將末端待發射的鋼珠置於桌子邊緣,使鋼珠發射後墜落至地面,量測桌子邊緣與鋼珠落地點的水平距離,推算鋼珠發射後的水平速度。)同學們可以思考看看此三種方法各自有何優缺點,選定一種最適合方法來實驗。
  • 3.2.1實驗數據圖(三種方法擇一)
方法一: 方法二: 方法三:

  • 3.2.2分析實驗結果


  • 3.3同上一個實驗,但這次將磁鐵之N、S極對調,針對2.4的問題,紀錄鋼珠發射速度
  • 3.3.1實驗數據圖(三種方法擇一)
方法一: 方法二: 方法三:
  • 3.3.2分析實驗結果


  • 3.4針對2.5的問題。如同影片一的裝置,重覆發射鋼珠數十次,紀錄每次的發射速度是否逐次遞減
  • 3.4.1實驗數據圖(三種方法擇一)
方法一: 方法二: 方法三:

  • 3.4.2分析實驗結果


  • 3.5針對影片二,設計一組二段加速系統,在鋼珠數量固定的情況下,調控兩個磁鐵之間相斥相吸的關係與距離,紀錄鋼珠發射速度
  • 3.5.1實驗數據圖(三種方法擇一)
方法一:


方法二:


方法三:


  • 3.5.2分析實驗結果




4.分析與結論

  • 4.1 能從前述所記錄數據與繪製的數據圖中,分析出相關趨勢,結論出可能之定性關係。
  • 4.2 能進一步從記錄之數據與繪製之數據圖中,粹取出相關重要物理量,進一步繪製關係圖,結論出定量關係式。
  • 4.3 能從所記錄數據與繪製的數據圖中,瞭解還有額外需要設計實驗與執行的項目。



5.教學目標與評量

  • 5.1 能實際操作、記錄數據、繪製圖表 。
  • 5.2 能分析數據圖所表現的結果 。
  • 5.3讓學生學習科學素養,即探究現象、提出假說、實驗證明假說,最後精緻化結果。
  • 5.4利用一連串實驗歸納出的結論,將所得結論應用在如何自行設計一組加速效率更好的高斯加農砲,讓學生能應用自己融會貫通的知識。



6.參考資料:








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