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梅期光/共發表7篇文章

國中自然科領域退休教師,「認識科展第一本書」作者

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固定式電磁跳動線圈與浮接式電磁振盪線圈

  撰文者:梅期光  2017-04-19
  點閱次數:137


遽聞107年度高國中小學自然與科學課綱將實施「融入操作課程的科學課程」學習內容,今年度多次受邀的台北市國中、小學校演講有關科學實作及科學研究(科展)融入科學教學的議題,多位國中、小學校的校長、主任及老師就與筆者者討論到學校、教師應如何因應107年度高國中小自然與科學課綱將實施「融入操作為主的科學課程學習」內容這個話題!但筆者對校長、主任及老師融入操作為主的科學課程學習所得到的回應都是「顯得不知所措或到時再說」的消極態度!其實若是能在科學課程教學中融入科學實作對科學教師教學內容的活化是有實際的效能的,這種的教學方式不僅能起到激發學生對科學的學習興趣、亦能促進學生科學議題的思考能力、並加深學生對科學議題的理解。面對下一個世代學生的教學模式,筆者認為將科學實作及科學研究融入科學知識教學應是現階段高國中小各年段科學教師應有的認識!

本期的內容是與電磁力交互作用有關的科學實作,請讀者體驗若學生是從科學實作觀察、推理、歸納、討論…等過程中認識電磁力或磁極交互作用、電流磁效應、安培右手定則等科學知識,並比較與僅由科學知識教學學習這些科學知識學生的差異!

 

材料

圖1.png

工具與功能

圖(工具).png

【注意事項】白板筆或麥克筆的粗細應以不超過氧化鐵磁鐵的面積大小為宜!

 

 

製作步驟

. 電磁跳跳蟲:

1. 製作場磁鐵基座:用雙面膠帶將氧化鐵磁鐵(以後稱場磁鐵)黏著固定在塑膠基座板一側(圖一)。

DSC_0043  圖一

 

2. 取15公分漆包銅線,用美工刀將漆包銅線兩端約2~3公分銅線表面塑膠膜刮除(圖二)。

圖02.png  圖二

【注意事項】要檢測漆包銅線表面膠膜是否完全膜除時,僅需比較已磨除漆包銅線與未磨除漆包銅線部分的金屬光澤現象,已磨除漆包銅線為銅金屬光澤,而未磨除漆包銅線部分為光滑表面反光現象!

 

3. 將漆包銅線引線兩端磨除塑膠膜部分彎繞成扁環狀(圖三)。

圖03.png  圖三

 

4. 製作漆包線跳動線圈:將漆包銅線環繞麥克筆成螺線管狀,並預留兩端引線約5公分長度(圖四)。

圖04.png  圖四

 

5. 將步驟4中的圓形線圈放置在場磁鐵上,再將靠近兩端引線扁環狀導電端處用透明膠帶黏著固定(圖五)。

圖05.png  圖五

 

6. 用手指壓住螺線管線圈,再用錐子調整漆包銅線引線(圖六)。調整至手指鬆開螺線管線圈彈起時,線圈面與場磁鐵相距約0.5公分至1.0公分的高度即可!。

圖06.png  圖六

 

【注意事項】用錐子調整螺線管線圈兩引線的形狀時,以壓住螺線管線圈手指鬆開後,螺線管線圈與場磁鐵表面間的高度約0.5公分至1.0公分即可!

 

7. 將3號電池放置在電池盒內,即完成固定式電磁跳動線圈實作(圖七)。

圖07.png  圖七

 

. 電磁振盪線圈:

1. 取50公分漆包銅線,用美工刀將漆包銅線兩端約1~2公分銅線表面塑膠膜刮除(請參考製作「電磁跳跳蟲」的步驟2)。

2. 製作螺線管線圈導電環:將漆包銅線兩端分別纏繞在牙籤尖端下方位置,製作稍粗於大迴紋針粗細的導電環(圖八)。

圖08.png  圖八

 

3. 製作振盪螺線管線圈:將漆包銅線反覆的纏繞在麥克筆筆身圓柱位置,製作出螺線管線圈(圖九)。

圖09.png  圖九

【注意事項】利用麥克筆筆身圓柱纏繞螺線管線圈,是因為場磁鐵面積的寬度限度,若操作者選擇其他大小的場磁鐵時,則應選用其他適當粗細的塑形裝置。

【注意事項】纏繞螺線管線圈時,應盡量使螺線管各線圈的間距相同!

 

4. 製作場磁鐵基座:用雙面膠帶將氧化鐵磁鐵(以後稱場磁鐵)黏著固定在塑膠基座板一側(請參考製作「電磁跳跳蟲」的步驟1)。

5. 製作大迴紋針導電支架:用手和尖嘴鉗將大迴紋針外圈彎直成可直立固定的大迴紋針導電支架(圖十)。

DSC_0018  圖十

 

6. 組合大迴紋針導電支架、場磁鐵基座、振盪螺線管線圈:

(1) 用透明膠帶將一支大迴紋針導電支架黏著固定在場磁鐵一側,再將振盪螺線管線圈導電環穿過大迴紋針導電支架。

(2) 先調整振盪螺線管線圈使其能穩定直立在場磁鐵上方位置,再將振盪螺線管線圈另一端導電環穿過另一支大迴紋針導電支架,再用透明膠帶將大迴紋針導電支架固定在場磁鐵另一側,如圖十一所示。

圖11.png 圖十一

 

7. 完成浮接式電磁振盪線圈實作:電池盒的正負極導線分別纏繞在場磁鐵兩側大迴紋針導電基座上(圖十二),然後將3 號電池裝入電池盒,並調整浮接式螺線管線圈與大迴紋針導電基座的接觸效果,確定浮接式螺線管線圈可產生持續性螺線管線圈振盪現象,即完成浮接式電磁振盪線圈實作,

圖12.png 圖十二

【注意事項】纏繞電池盒金屬導線時,可先用面紙將金屬導線及金屬導線接觸大迴紋針導線基座位置表面擦拭乾淨,如此可避免手指接觸金屬導線及大迴紋針導線基座位置的油漬影響導電效果!

【注意事項】因單電池3號電池盒並無設計開關裝置,因此測試及操作浮接式電磁振盪線圈實作時,應隨時注意螺線管線圈或電池的溫度變化!以避免因漆包銅線螺線管線圈電阻較小,直接連接電池所產生短路現象,造成電池或螺線管線圈過熱現象。

【注意事項】若發生螺線管線圈並無振盪跳動現象,電路可能是斷路,此時應仔細檢查螺線管線圈導電環、導線及大迴紋針導電間的接觸狀況!但電路也可能是短路,此時應可發現電池或螺線管線圈過熱現象!此時應立即移除電池,以避免產生危險!

 

現象觀察與推理思考

. 固定式電磁跳動線圈

1. 根據前期磁鐵磁極檢測-磁鐵指南針、電磁鞦韆與直流馬達專文,曾提及「利用懸吊磁鐵觀察磁鐵受地磁作用現象及地球磁極與地理方位間的關係,判斷磁鐵磁極關係!」,操作者可先決定氧化鐵磁鐵兩磁鐵面的磁極性質。

2. 請操作者從螺線管線圈正上方觀察,可發現螺線管線圈的環繞方式有哪些?並試問螺線管線圈的環繞方式可決定何種現象的性質?

 

3. 操作者將電池正負極導線接觸螺線管線圈的兩端引線導電環後,可發現在場磁鐵上方螺線管線圈會產生哪些的運動現象?(影片1網址: https://www.youtube.com/watch?v=Yshx6bRYKE4

4. 若觀察到場磁鐵上方載流螺線管線圈往上彈開時,此時表示載流螺線管線圈靠近場磁鐵面產生何種磁極?反之,若觀察到場磁鐵上方載流螺線管線圈往下接近時,此時表示載流螺線管線圈靠近場磁鐵面產生何種磁極?

5. 試根據這些現象判斷載流螺線管線圈(即電路通路時、導線電流流通狀態!)電流的流向會產生哪些的磁極變化與電磁力交互作用?

6. 根據載流螺線管線圈電流方向、載流螺線管線圈運動方向、場磁鐵磁極等條件,若是操作者以右手四指表示載流螺線管線圈電流方向、伸出的拇指表示磁極方向,請試著推論出螺線管安培右手定則!

 

. 浮接式電磁振盪線圈

1. 根據前期磁鐵磁極檢測-磁鐵指南針、電磁鞦韆與直流馬達專文提及「利用懸吊磁鐵受地磁作用現象及地球磁極與地理方位間的關係,判斷磁鐵磁極關係!」,操作者可先決定氧化鐵磁鐵兩磁鐵面的磁極性質。

2. 操作者將3號電池置入電池盒後,可觀察到載流螺線管線圈會產生那些形式的運動現象?(影片2網址:https://www.youtube.com/watch?v=aBK3vHg2NGc)

3. 承步驟2,改變電池盒正負極導線連接大迴紋針導電基座後,將3號電池置入電池盒後,可觀察載流螺線管線圈會產生那些形式的運動現象?

4. 根據固定式電磁跳動線圈「現象觀察與推理思考」的步驟6,推論出的載流螺線管線圈安培右手定則,若觀察到螺線管線圈「從場磁鐵往上彈起」時,此時振盪螺線管線圈的性質為何?(請根據振盪螺線管線圈的重量、電流有無、磁極種類、磁力作用等性質說明!)

5. 承步驟3,若觀察到螺線管線圈「從場磁鐵往下收縮」時,此時振盪螺線管線圈的性質為何?(請根據振盪螺線管線圈的重量、電流有無、磁極種類、磁力作用等性質說明!)

6. 操作者是否能判斷出為何載流螺線管線圈會在場磁鐵上方產生持續振盪跳動的原因為何?

 

學習固定式電磁跳動線圈與浮接式電磁振盪線圈有關科學原理

1. 電流磁效應:與磁體產生固定磁場強度不同,指由電流產生磁場,可利用改變電流強度或線圈匝數、電流方向或線圈形狀等條件控制所產生磁場極性、磁場強度等性質。

2. 安培右手定則:利用右手四指環繞載流螺線管線圈方向表示電流方向、拇指指向為載流螺線管線圈產生磁場N極位置,而右手拇指相對位置則為載流螺線管線圈產生磁場S極位置。

3. 磁極作用:載流螺線管線圈兩端產生磁場性質與磁體兩端磁極性質性質相同,即具同極相斥、異極相吸性質。

4. 電磁力與重力交互作用:

(1) 浮接式電磁振盪線圈產生的持續振盪跳動現象是載流螺線管線圈產生磁場與場磁鐵磁極同極相斥交互作用,並與螺線管線圈重量間作用產生。

(2) 當螺線管線圈導電環與大迴紋針導電基座「接觸」時,載流螺線管線圈與場磁鐵磁極同極相斥交互作用大於螺線管線圈重量,螺線管線圈即向上運動。

(3) 當螺線管線圈導電環與大迴紋針導電基座「脫離」時,螺線管線圈與場磁鐵無磁極交互作用,螺線管線圈僅受重量作用而向下運動。

(4) 本科學實作即利用螺線管線圈導電環與大迴紋針導電基座間的「接觸-螺線管線圈產生與場磁鐵同極磁場-相互排斥」與「脫離-螺線管線圈無磁場產生-僅受重量作用而落下」的交互現象產生而使螺線管線圈產生振盪效應!



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