科學活動

簡介 

利用風力使葉片轉動進而帶動磁鐵轉動與靜止的線圈產生電感應效應來設計簡易發電機。

 

製作步驟 

準備材料:乒乓球×1、髮夾×1、寶特瓶蓋×1、強力磁鐵×2、吸管×1、漆包線圈×1、LED燈×1、透明膠帶×1、雙面膠×1、電風扇×1。

 

1.將乒乓球對半剪開並將邊緣剪成葉片狀,再將乒乓球中心穿洞並將髮夾穿過其中,髮夾頭留在球底再用熱熔膠黏牢。

2.吸管剪約2cm長,並於一端約0.5cm長處穿洞,左右各穿一個。

3.寶特瓶蓋左右兩側中間位置各穿一個3mm直徑的洞。刮乾淨鑽洞碎屑。

4.將漆包線圈線頭部分的漆用砂紙磨除,裸露出銅線的部分纏繞在LED燈的電極處,注意裸露銅線不可彼此接觸避免短路,再將LED燈用透明膠帶固定於漆包線圈上。

5.將吸管一端用雙面膠固定於寶特瓶蓋內蓋處,注意吸管上的穿孔必須與寶特瓶蓋上的穿孔連成一直線。

6.將髮夾穿過瓶蓋與吸管,將強力磁鐵夾住髮夾,置於瓶蓋中位於吸管上方,大約在瓶蓋正中。

7.將纏繞LED燈的漆包線圈用雙面膠固定於吸管上,如要使之更堅固可再用透明膠帶將線圈固定在寶特瓶蓋旁。

8.最後將已黏乒乓球葉片之髮夾穿過寶特瓶蓋與吸管上之孔洞中,簡易風力發電機即完成。

 

操作要領 

將簡易發電機放置於風扇前時應與風吹的方向垂直,讓風能有效的帶動葉片使之轉動。

 

教學使用方法 

1.將簡易發電機拿到電風扇前,藉由風扇的風帶動乒乓球葉片的轉動,就能讓LED燈發出閃光,藉此可讓學生探索風力發電的原因?

2.為什麼燈光是閃閃發光而不是一直亮著?

3.各個零件的作用?

4.影響電力強弱的變因。

 

簡介

利用摩擦後的吸管去接近空的平躺鋁罐,會使鋁罐就地滾動。

 

製作步驟

準備材料: 空鋁罐×1、吸管×1、面紙×1。

1.準備一根吸管,用面紙在吸管上來回摩擦約十秒鐘。

2.將空鋁罐平躺於桌面上,再用摩擦過的吸管接近鋁罐。

3.發現鋁罐會被吸管吸引並朝吸管的方向滾動。

 

操作要領

當吸管接近鋁罐時,最好是能由鋁罐的上方往側邊即朝預期滾動的方向輕輕劃過,讓兩者若即若離不可相撞。此舉能讓鋁罐更容易轉動。

 

 

教學使用方式

本實驗可以簡單地讓學生從趣味中探索:

面紙和吸管摩擦會有什麼效果?

為什麼吸管會讓空鋁罐就地滾動?

裝滿飲料的鋁罐會不會被吸管帶動?為什麼?

面紙能不能讓鋁罐就地滾動?

  

目的

韋氏起電機(Wimshurst machine)發電原理介紹。

 

實驗

裝置:

韋氏起電機由兩個起電盤(貼有金屬片的塑膠圓盤)、兩個集電器、兩個金屬電極組成。

實驗:

將兩個金屬電極調整到適當距離,手握旋轉握把後旋轉數圈,觀察金屬電極間有何變化?

 

 

原理思考

為什麼兩個金屬電極間會產生放電?

 

主要是因為摩擦起電。為方便講說在此將韋氏起電機的構造以2維的示意圖(圖一)表示,內圈順時針方向旋轉的為前方起電盤,外圈逆時針方向旋轉的為後方起電盤。fig 1 

若起始狀況,如圖二所示,後起電盤上金屬片上因摩擦而帶有些許正電荷(紅色表示),則相對應的前起電盤上金屬片則因感應起電使正電荷經由中間的電刷到對側的金屬片上,此時就有較多負電荷(黃色表示)。

fig 2

第一步,當繼續轉動後,如圖三所示,金屬片旋轉到左側集電器(也就是萊頓瓶,Leyden jar)時,便開始儲電[1]。fig 3

第二步,如圖四所示,後起電盤上的電荷分佈會因中間電刷及前起電盤電荷分佈的關係而對換

fig 4

第三步,如圖五所示,左右萊頓瓶儲存相異的電荷。

fig 5

第四步,如圖六所示,回到圖二的起始狀態重複循環作動。

fig 6

第五步,如圖七所示,左右萊頓瓶儲存相異的電荷。

fig 7

如此不斷循環使萊頓瓶儲存大量的電荷後,進而透過空氣放電。

 

討論

1.一開始金屬片上為負電荷,則結果會如何?

2.若此實驗是另一方向旋轉,則結果會如何?

 

關於實驗

操作前先將兩個金屬電極接觸,不可用手先接觸集電器上有金屬的部分或金屬電極,避免集電器內殘留的電荷造成觸電。

 

參考資料

萊頓瓶儲電原理請參閱本網站靜電杯 

“University Physics", Rev. ed., John Wiley & Sons, 1995, USA., Ch22. 

”觸摸”科學體驗發現-物理原理展示,國防工業出版社,頁87-88。 

 

製作

市售商品

 

指導老師

朱慶琪

 

撰稿

黃時霖

 

目的 

演示伏打電池(Voltaic pile,又譯伏特電堆)或另稱伽伐尼電池(Galvanic cell)的原理。

 

實驗 

實驗裝置:

準備鋁板及銅板各一片,分別用電線連接到電流計後,觀察以下實驗:

演示實驗1:用左右手分別接觸鋁板及銅板時,電流計上指針的反應。

演示實驗2:先在鋁板與銅板間放置一張濕綿紙,之後再加鹽時,電流計上指針的反應。

 

 

原理思考 

在沒有提供任何電能的情況下,為何會有電流產生?

 

實際上這個實驗是用兩種活性大小不同的金屬及中間可導電的物質,製成的化學電池。 在此利用鋁容易失去電子的特性做為負極,銅容易獲得電子做為正極,中間用可導電的氯化鈉溶液做成鹽橋,這就是一個基本的伏打電池的構造。鋁失去電子後,藉鹽橋的離子流動達到電荷平衡,一旦電荷平衡,電子又能繼續流動,銅就獲得電子,如此構成迴路,便產生電流。 實驗中,因為手掌會流汗,汗水就含有氯化鈉溶液,且人體內有許多電解質,因此,就會產生電流。另外,當氯化鈉固體尚未溶解時,濕綿紙因沒有電解質離子,所以無法形成電流,當氯化鈉固體漸漸溶解後,濕綿紙中的電解質離子數量漸增,形成的電流也就越大。

 

討論 

1.此電流可否點亮燈泡?

2.在乾冷的冬天在實驗時,會有電流產生嗎?

3.這個實驗與熱電偶(thermocouple)的差異?

 

1.因電流很小約,不易點亮燈泡。 2.若手因乾冷無未出汗,除沒有鹽橋的作用外,同時因手掌與金屬片的接觸電阻很大,所以幾乎沒有電流產生。 3.熱電偶是一種被廣泛應用的溫度感測器。當兩種不同成份的金屬線在兩端點處緊密焊接形成一迴路時,若使這兩個接點,分別保持在不同的溫度,則由於導電粒子在不同金屬之擴散速率不同,所以在兩金屬內的擴散電流大小也不同,因此會造成在此迴路內有一淨電流。

 

關於實驗 

使用後請用清水擦拭乾淨,避免銅片氧化產生氧化銅(Verdigris俗稱銅綠)氧化鋁(Aluminium oxide俗稱礬土)影響實驗。

 

參考資料 

“Shocks and Sparks: The Voltaic Pile as a Demonstration Device”Chicago Journals, Vol. 89, No. 2, Jun., 1998 .

“Heat and Thermodynamics”P. 432. (sixth edition 1981) 

維基百科:鹽橋 

 

製作 

杜宗勳

 

指導老師 

朱慶琪

 

撰稿 

 杜宗勳

 

目的

演示兩條通電的平行鋁管間之電磁作用力。

 

實驗

實驗裝置:兩條平行鋁管以電線懸掛,請先觀察鋁管未通電流的狀態,接著接上鉛蓄電池後觀察:

演示實驗1:鋁管通過相同方向的直流電後有何現象發生?

 

 

演示實驗2:鋁管通過相反方向的直流電後有何現象發生?

 

 

原理思考

為何通電的鋁管會互相吸引或排斥?

 

當鋁管通過同方向直流電時,為何會互相吸引?。 這是因為通線的鋁管會產生磁場與鋁管受力的關係。 我們先將兩條鋁管分別為標註為鋁管a、b,導線長度為L;電流方向為自左邊向右邊;ia及ib分別為鋁管a、b上的電流。

當電流從鋁管a左邊流向右邊時,在鋁管b的週邊會產生磁場,安培右手定則告訴我們,鋁管a上的磁場方向B與所受的力表示為:

 

同理可推得,鋁管b在鋁管a建立的磁場下所受的力為:

其關係如圖一、二所示。

Lozentz force 1 Lozentz force 2

 

討論

在鋁管b建立的磁場下,通電的鋁管a其作用力F_a大小可否算出?

 

假設兩鋁管的距離為d,則鋁管B所建立的磁場大小為:

 

再根據可得知

 

 

關於實驗

1.實驗的電流高達160安培,通電時切勿碰觸,且時間切勿過長,避免電池過熱產生危險。

2.電線盡量選用線徑較大、絕緣性較佳為宜。

 

參考資料

 “Fundamentals of Physics Extended “,Fifth Edition., John Wesley & Sons, INC 1997, U.S.A., CH30. 

FORCE BETWEEN CURRENT-CARRYING WIRES – PROJECTION (University of Maryland Physics Lecture-Demonstration Facility)

 

製作

杜宗勳

 

指導老師

朱慶琪

 

 撰稿 

杜宗勳

 

目的

認識靜電、電位差及電容的構造。

 

實驗

1.將兩塑膠杯外平整包鋁箔紙後重疊,中間並夾一條長、寬數公分的鋁箔紙片當作導線。

2.用絹布摩擦塑膠水管。

3.將摩擦後的塑膠水管接觸杯子突出的鋁箔片。

4.重覆第二及第三步驟數次。

5.一手接觸外層鋁箔紙,另一手接觸鋁箔紙片導線。

 

 

原理思考

為什麼會有電流的產生(有被電到的感覺)?

靜電杯,就是萊頓瓶(Leyden jar),此構造即是一個電容器。 兩鋁箔紙被塑膠杯隔開不相連,即鋁箔紙上若有電荷時是不會相互流通,這就是一個電容器。當塑膠水管用絹布摩擦後帶負電,當帶負電的塑膠水管接觸靜電杯上的鋁箔導線時,便將負電荷導入內層的錫箔紙,重覆數次後便累積到一定的電荷,此時用手將兩鋁箔相連,則內層的錫箔紙上的負電荷會經過人體流向外層鋁箔,所以才會感覺被電到,詳圖一至四。electrical charge moving 1

 

討論

1.若是將水管靠近鋁箔導線(不接觸),而非如本實驗是將負電荷引入內層鋁箔紙,試問是否有同樣的效果?

2.摩擦塑膠水管會產生多少的電荷

3.多疊幾個塑膠杯是否能增加可以儲存的電量?

1.若外層鋁箔紙接地,仍會有同樣的效果,不同處是在於電子流的流向。 2.約只有十萬分之一的表面原子會產生負電荷[1] 3.反而會減少。因為電荷的儲存量和你所用的金屬之間的距離有關,也就是這兩者間成反比關係。越多杯子等於是把金屬的距離拉大,所能儲存的電量就會越少。

 

關於實驗

此實驗的環境若較為潮溼,則實驗較果會較不明顯。

 

參考資料

"University Physics", Rev. ed., John Wiley & Sons, 1995, USA., Ch22. “伽利略工房──隨手可做有趣的科學實驗I", 頁18-23. 格物致知學習網站-萊頓瓶

 

製作

朱慶琪

 

指導老師

朱慶琪

 

 撰稿 

黃時霖、杜宗勳

 

目的

演示操作范氏起電器(Van de Graaf Generator,為范德格拉夫起電機的簡稱)與靜電的觀念。

 

實驗

實驗裝置:本實驗裝置區分上下兩部分,中間以絕緣塑膠管區隔開。上方有一個空心的金屬球殼,下方為一底座內有馬達,馬達帶動橡膠皮帶在金屬球及底座間轉動。

演示實驗1:啟動開關後,拿一塑膠條靠近但不接觸金屬球殼,觀察塑膠條產生何現象。

 

 

演示實驗2:在金屬球殼上放置一頂假髮,觀察假髮在橡膠皮帶轉動前、後有何現象產生。

 

 

思考原理

1.為何塑膠條與金屬球殼間會重覆產生吸引及彈開的運動?

2.假髮為何會豎起?鋁棒接觸金屬球殼後,為何頭髮又恢復原狀?

 

1.范氏起電器是運用滑輪轉動時與橡膠皮帶摩擦後產生正負電荷分離的裝置,其構造與電荷產生的方式如圖一所示。塑膠條原本是不帶電的,但是因金屬球殼上累積大量的電荷,帶電的金屬球殼週遭的電場會感應塑膠條並加強其分子的極化(polarization)狀態,因此塑膠條就被金屬球殼吸引。但塑膠條接觸到金屬球殼後就與金屬球殼具有同極性的電荷,相同的電荷有互相排斥的作用力,所以塑膠條會被彈開。再者,空氣中含有水分子,塑膠條上的電荷與空氣接觸就被釋放到空氣中,塑膠條又恢復電中性,接著就重複前述動作。van de graaff generrator2.此現象乃是假髮上也累積相同極性的電荷之故。因鋁棒與插座上的地線相連接,當鋁棒接觸金屬球殼時電荷導就被導至地線,此時金屬球殼就不帶任何電荷,頭髮就不會豎起來了。 

 

討論

1.金屬球殼上累積電荷所造成的電位有多大?

2.靜電在生活上有哪些實例與應用?

 

 

1.金屬球殼與週邊的空氣間的電位差約有數千至數萬伏特,視空氣的濕度與機器裡電梳或橡膠皮帶的磨損程度而定。 2.冬天碰觸金屬門把或汽車門把會被電到就是一例。靜電也有運用在除塵器,或在運載易燃物品的車輛尾端繫上接地鐵鏈,把電荷傳到地面,以免電火花引致火災等方面的運用。 

 

參考資料

 “Physics for Scientists and engineers with Modern Physics “, International Edition., Addison Wesley, 2003, U.S.A., p.941-942..

”Van de Graaff Generators: Theory, Maintenance, an Belt Fabrication, “The Physics Teacher, Volume 28, Issue 5, Pages 281-285 (1990).

 VAN DE GRAAFF GENERATOR WITH GROUND SPHERE 

 

製作

市售商品

 

指導老師

朱慶琪

 

撰稿

杜宗勳

 

目的 

修改「高斯來福槍」實驗的設計及製作,以利推廣。

 

實驗 

實驗裝置:將強力磁鐵固定於鋼珠行徑的軌道上,靠近長軌道的磁鐵一側放置2顆鋼珠。

從短軌道端慢慢推進一顆鋼珠使其被磁鐵吸引。觀察在軌道另一端射出的鋼珠速度,與一開始將鋼珠送入軌道的速度比較。觀察磁鐵旁一開始時鋼珠的位置與射出後的位置做比較。

 

 

原理思考 

射入的鋼珠與射出的鋼珠速度是否相同?系統的能量變化為何?

 

1. 發射後,鋼珠排列方式較發射前有較低的”位能”,雖然磁鐵產生的磁場與鋼珠之間的位能不容易計算,但可以另一直觀的方式感覺鋼珠位能降低:試著在鋼珠發射前與發射後移除磁鐵兩旁的鋼珠,將會發現在發射後要移除鋼珠較發射前移除費力(或說要做較多的功幫助鋼珠脫離磁鐵束縛),代表鋼珠與磁鐵間位能較之前低。這也就代表在發射過程中鋼珠與磁鐵間位能降低轉換為移動鋼珠的動能,詳下圖。gauss rifle fig 700x5262. 依據動量守恆原理,若磁鐵可自由活動,則磁鐵與鋼珠(包括入射鋼珠以及射出鋼珠以及始終被磁鐵吸附的鋼珠)可滿足動量守恆,但此時射出鋼珠速度與入射鋼珠末速度也不會相等。另外,因磁鐵是固定的,因此碰撞系統需考慮至整個彈道的基座質量,甚至還有基座與桌面的摩擦力(因此動量不守恆),至於桌面與基座摩擦力在加速方面有正面或負面效益還有待討論。依據動量守恆原理,若磁鐵可自由活動,則磁鐵與鋼珠(包括入射鋼珠以及射出鋼珠以及始終被磁鐵吸附的鋼珠)可滿足動量守恆,但此時射出鋼珠速度與入射鋼珠末速度也不會相等。另外,因磁鐵是固定的,因此碰撞系統需考慮至整個彈道的基座質量,甚至還有基座與桌面的摩擦力(因此動量不守恆),至於桌面與基座摩擦力在加速方面有正面或負面效益還有待討論。 

 

討論 

1.在理想的情況下,入射鋼珠與射出鋼珠速度關係為何?相等或不相等?

2.發射前、後的鋼珠位置改變與鋼珠獲得動能有什麼關係?

 

關於實驗 

1.注意強力磁鐵經頻繁強烈碰撞後容易產生磁力降低的情況(尤其在軌道後段磁鐵易發生),若發射數次後無法動作,靜置一段時間後可能恢復,若仍無改善,請更換磁鐵。

2.可比較本網站中的牛頓擺高斯來福槍做比較。

3.材料:木板(大賣場售)、軌道用電線之塑膠壓條製作、電線固定釘(水電五金行)、鋼珠(軸承店)、鋼珠盒(市售藥盒)、磁鐵(強力磁鐵效果較佳)。

 

參考資料 

Science Toys  

Make: technology on your time  

Energy and Momentum in the Gauss Accelerator, Phys. Teach. 42, 24 (2004) 

The Gauss Rifle and Magnetic Energy,  Phys. Teach. 41, 158 (2003)

 

製作 

朱慶琪

 

指導老師 

朱慶琪

 

撰稿 

鄭韋志、朱慶琪

 

目的

修改「磁鐵太空漫步」實驗的設計及製作,以利推廣及攜帶。

 

實驗

實驗裝置:約30公分的鋁管2支,其一為兩端開口之圓管(A鋁管),另一則將管身切開一溝槽(B鋁管),並將兩鋁管垂直站立。

1.讓鐵球從兩個鋁管自由下落,觀察下落的情形。

2.讓強力磁鐵在A鋁管中自由下落,觀察下落的情形。

3.讓強力磁鐵在B鋁管中自由下落,觀察下落的情形。

4.各放置一塊強力磁鐵使之在A、B鋁管中自由下落,觀察兩者下落的情形。

 

 

原理思考

為什麼掉落的速度會有差別呢?切有溝槽的鋁管又有何差別?

 

磁生電、電生磁 磁鐵運動時造成週遭磁通量(magnetic flux)的變化,因此鋁管內部產生感應電動勢(induced emf )及渦電流(eddy current)。此時,渦電流產生的磁場抵抗磁鐵落下的運動,造成磁鐵以較慢的速率掉落。 渦電流決定抗力大小 磁場抵抗磁鐵的力量,取決於渦電流的大小及方向。B鋁管因切有溝槽,其形成的渦電流相較於A管是較小的,因此磁場抵抗磁鐵的力量較弱。 

 

關於實驗

1.可比較本網站中的下落磁鐵感應煞車鋁片飄浮探戈擺做比較。

2.材料:鋁管(金屬材料店可買到)、磁鐵(強力磁鐵效果較佳)。

 

參考資料

1.可參考磁鐵太空漫步,國立中央大學物裡演示實驗。

2.Harris Benson, University Physics, Chapter 31, Electromagnetic Induction.

 

製作

朱慶琪、張宇靖

 

指導老師

朱慶琪

 

撰稿

 蔡昌翰、黃時霖、朱慶琪

 

目的

表現因磁場變化而產生感應電動勢。

 

實驗

實驗裝置:電吉他與示波器。

1.將電吉他蓋板取下,觀察拾音器(pickup)結構。

 

 

2.以示波器連結探棒信號端與接地端直接連接拾音器線圈兩末端。撥動最低音(第6弦)觀察示波器顯示。

 

 

3.撥動最高音(第1弦)觀察示波器顯示。

 

 

原理思考

1.拾音器的結構為何?

2.電吉他的聲音如何產生?

3.由示波器判斷最低音弦與最高音弦頻率為何?

 

1.拾音器的結構為漆包線纏繞磁鐵。

fig1

2.拾音器的磁鐵磁化其上的金屬弦,使一部分的弦帶有磁性,拾音器與弦的磁場呈現固定的靜磁場分布。當弦被撥動時,磁場分布隨著弦震動而做週期性的改變。依照Faraday’s law將會有感應電動勢呈現於現圈兩端。此感應電動勢經由放大器放大後由揚聲器(喇叭)輸出。

3.可由示波器所測到週期的倒數即為頻率,本實驗分別為第6弦,第1弦。每高一個八度音頻率增加一倍,第1弦比第6弦高兩個八度音,頻率為其四倍,週期為1/4。

 

討論

1.試由示波器得到的感應電動勢大小推算電吉他的拾音器線圈數目。

2.如何知道吉他弦是以基頻還是其他諧頻震動為主?

3.吉他如何調音?吉他弦張力如何計算?如何設計實驗得知?

4.電吉他可否用尼龍弦?

5.討論錄音帶與電吉他原理的異同。

 

關於實驗

感謝中央大學吉他社提供吉他。

 

參考資料

Fundamentals of Physics, 6th ed., John Wiley & Sons, 2001, New York.

 

製作

李奕勛

 

指導老師

陳泰利

 

撰稿

陳泰利