成功大學物理系

胡筆勝、陳昭敏、吳牧儒、羅光耀、許瑞榮

2022/04/15

2022台南市全民科學周

師生種子訓練營

感謝各位師生的參與，一起來為台南市科普教育而努力。

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感謝台南市教育局、成功大學「創新教學改進及科學教育推廣基金計劃」以及科技部計畫「科普活動：台南區全民科學週—推廣主題式科普展(主題四) MOST 110-2515-S-006-003」的經費協助；也感謝台南市楠西國中的協助開幕式相關籌備事宜。 

• 科普活動與實驗可以增進學生對於科學的認知與興趣，學生在進行科普活動時，可以透過實驗方式來增進對課本內容的了解，並進一步引發學生對科技發展的認識。自2020年起台南市全民科學週科普計劃即以主題式系列科普展內容來進行科普活動推廣。

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• 2020年是以國中八上的自然課程的單元”光、影像與顏色”的內容為基礎，延伸至全反射的概念與應用，並引進太陽除了會輻射可見光之外，還會輻射紫外線與紅外線的概念，以及認識紫外線與紅外線的應用，推出了以「ㄚ！就是那個〝光〞」為主題，規劃六組可以涵蓋物理與生活、化學與生活科技的教案，可應用於科普市集與科學密室。

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• 2021年台南市全民科學周的系列科普活動的內容，將從國中三年級的內容：九上單元四、電流、電壓與歐姆定律，以及九下的單元一、電流的熱效應與化學效應，延伸至如壓電效應、光電效應、用電安全、雙切開觀的設計等概念與應用，以「電的產生、儲存與傳輸」為主題，規劃12組可以涵蓋物理、化學、以及大氣科學的跨域展示內容國中八上的自然課程內容，可應用於科普市集與科學密室。

• 今年2022年再度我們將根植於國中自然與生活科技課程內容：九下的單元二、電與磁，以「磁力與電磁感應」為主題，規劃8組涵蓋物理與生活科技，的教案，可應用於科普市集與科學密室。

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1-1.磁浮現象(展示)

1-2.磁衝砲(展示)

1-3.自走電線(展示)

1-4.簡易馬達(動手做)

2-1.電生磁(展示)

2-2.磁生電(展示)

2-3.磁剎車(展示)

2-4. 簡易喇叭製作 (動手做)

教具開發:

張慧貞 （國立彰化師範大學

物理學系物理教育組 教授）

主題一、磁力的作用

主題二、電磁感應的應用

2022年臺南全民科學週主題

磁力與電磁感應

2022年臺南全民科學週主題：磁力與電磁感應

• 「主題1：磁力的作用」：

包含3個展演實驗，1個動手做實驗，可分為二個小單元來 執行。

1-1.磁浮現象(展示)

1-2.磁衝砲(展示)

1-3.自走電線(展示)

1-4.簡易馬達(動手做)

• 「主題2：電磁感應的應用」：

包含3個展演實驗，1個動手做實驗。

2-1.電生磁(展示)

2-2.磁生電(展示)

2-3.磁剎車(展示)

2-4.簡易喇叭製作 (動手做)

2022年臺南全民科學週主題：磁力與電磁感應

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•  提供圖文講義：每個展演或動手做實驗的內容，都包含：
• 操作說明
• 引導問題
• 原理說明
• 延伸閱讀
• 參考資料

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• 活動進行的方式：
• 以校為單位的舉辦開放社區參觀的科普市集或科學密室
• 以班為單位將科普活動帶入課程

各實驗單元所需器材如下表：

主題1、磁力的作用

1-1.磁浮現象 (展示，動手做)

1-2.磁衝砲 (展示)

1-3.自走電線 (展示，所附的是半成品，在此要先製作)

1-4.簡易馬達 (動手做)

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目的：

(1)知道磁力的作用。

(2)知道磁能的應用。

(3)觀察通電的電線在磁場中的受力情形。

(4)自製線圈並觀察線圈在磁場中的轉動情形，進而知道馬達的運作原理。

1-1. 磁浮現象

操作步驟：

1. 將紡錘體狀物體有金屬那端靠在左側壓克力板，此時紡錘體是否可以穩定的懸浮？
2. 旋轉紡錘體，觀察它是否很快停下來？
3. 輕壓紡錘體，它是否會回到原位？
4. 將紡錘體的另一端靠在左側壓克力板上，是否仍會懸浮？

引導問題：

• 像陀螺一樣轉動懸浮物，懸浮物會很快就停下來嗎？
• 浮在半空中的懸浮物有受到那些力的作用？
• 如果拿掉擋板，懸浮物還會浮著嗎？

• 磁鐵同極相斥、異極相吸

原理說明：

懸浮物的受力情形

原理說明：

底座

懸浮物的受力情形

原理說明：

底座

擋板

紡錘體

動手做

1-2磁衝砲

(展示)

操作步驟：

1. a為沒有磁力的鋼珠；b為帶有強磁場的鋼珠。把軌道兩側墊高。將4顆a球擺放在軌道中央，拿另一顆a球從軌道右側高處放下。觀察鋼球碰撞後發生的現象

https://www.youtube.com/watch?v=On1CsbTwlDs

b球加標籤

之後追加牛頓擺

2. 將4顆a球擺放在軌道中央，拿b球從軌道右側高處放下。

3. 將鋼球從左至右以aaab順序擺放，拿a球從軌道右側高處放下。

4. 將鋼球從左至右以aaba順序擺放，拿a球從軌道右側高處放下。

引導問題：

• 如果軌道上不放東西，直接將一顆球從軌道一側高處滾下去，球會從另一側滾出去嗎？
• 如果步驟2只放一顆金屬球，球還會被彈飛出軌道嗎？

原理說明：

碰撞

• 過程歷時很短
• 物體速度改變
• 物體受到很大的力

原理說明：

相同質量的堅硬球體碰撞後，理想上兩個東西的速度會互換。

牛頓擺：https://mytube.ncku.edu.tw/media.php?id=767

原理說明：

在我們的實驗設置中加入磁鐵

1-3. 自走電線

(展示)

操作步驟：

1. 將橫桿放在橫放在軌道上，而且在橫跨在中央的強力磁鐵正上方。
2. 順時針旋轉手搖發電機，觀察橫桿移動方向。
3. 重複步驟1，再逆時針旋轉手搖發電機。

引導問題：

• 兩塊磁鐵彼此靠近之後會互相吸引或排斥。磁鐵會影響附近的電流嗎？

磁鐵磁力極強，收納時請小心。並且請勿靠近手機或卡片磁條。

原理說明：

自走電線的滾動方向

自走電線的滾動方向

動手做教具

• 軌道頂端必須尖銳(尖端放電)

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• 使用強力磁鐵，增加視覺效果

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• 使用手搖發電機，減少電池廢棄，也避免忘記拔掉電池而造成教具過熱

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設計細節與動手做

• 用鋁箔貼的短邊環繞木棒一周，在略大於木棒周長的地方劃記。剪下鋁箔貼。

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• 將鋁箔貼沿著木棍平整地環繞貼上去

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• 取出紗窗三角木條，選取最尖且平整的那端為軌道頂端，做上記號。

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• 剪2條鋁箔貼，寬度約小指頭尾短指結長，長度約比三角木條多5公分。

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• 將三角木條有做記號的那端先黏貼於剪下的鋁箔貼中間。

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• 鋁箔貼包覆住三角木條，多出來的鋁箔貼則沿短邊對折黏貼。另一條木條照做。

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• 木條用雙面膠黏在板子上。

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• 磁鐵黏在兩個木條之間

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• 裝手搖發電機

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1-4 簡易馬達

(動手做)

簡易馬達成品圖

引導問題：

• 生活中有哪些地方會用到馬達嗎？(馬達通常都會在會轉動的機器裡)

原理說明：

 在「1-3.自走電線」，我們觀察到通電的導線在磁場中會受力而滾動，如果把導線改成纏成線圈的漆包線，漆包線將會受到力矩而繞著轉軸旋轉。接下來，我們將要利用這個原理來做簡易馬達。對於更多種可以動手做的馬達。

動手做的步驟：

漆包線

3號電池

強力磁鐵

金屬迴紋針X2

3號電池盒

紙杯

（嘉義高中黃冠夫老師設計）

捲線器

砂紙

膠帶

剪刀

1.拿出漆包線，用捲線器繞成線圈（也可以使用3號電池來繞線），約8圈。兩端各留下約5cm未纏繞的部分。

2. 將線圈兩個尾端分別穿過捲線器的凹陷處，綑綁多圈使得線圈被固定，取下後線圈。（如果使用3號電池來繞線，則要小心取下線圈，再綑綁線圈。）

3. 線圈拿平（不要看到圓洞），用砂紙磨掉線圈兩個尾端面向自己那側的漆。

4. 將紙杯倒扣，強力磁鐵黏貼在杯外的底部正中央。

5. 將迴紋針凹出一個小圈圈，把電池盒導線裸露的金屬繞在迴紋針上。另一個迴紋針跟導線照做。（若裸露的金屬不夠長，要再剝除外皮。）

6. 將兩個迴紋針黏在紙杯底部兩側，迴紋針的小圓圈要高於底部兩側。

7. 將線圈的兩個尾端分別穿過兩個迴紋針的小圓圈，使得線圈被架起來。線圈旋轉時不能碰到磁鐵。如果碰到，迴紋針要再拉高。

8. 電池盒放入電池。觀察線圈旋轉。如果線圈沒有自動轉起來，可輕撥線圈，使其開始轉動。

如果線圈沒有旋轉可以試著：

1. 線圈兩側的漆包線要盡量弄到平直
2. 確認漆包線的漆有刮掉而且刮掉的部分只少延伸到與迴紋針接觸的地方
3. 確認膠帶有黏緊電池跟導線

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如果線圈轉一轉會往某一邊滑過去：

可以調整迴紋針高度。

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可以嘗試的延伸實驗：

1. 改變線圈的圈數或線徑，線圈旋轉速度會有什麼改變？
2. 多串幾顆電池，線圈旋轉速度會有什麼改變？
3. 改變磁鐵強度，線圈旋轉速度會有什麼改變？

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2-1.電生磁(展示)

2-2.磁生電(動手做，所附的是半成品，在此要先製作)

2-3.磁剎車(展示)

2-4. 簡易喇叭製作 (動手做)

主題2、電磁感應的應用

目的：

(1)知道線圈通電之後會產生磁場。

(2)知道磁鐵靠近或離開線圈時會產生感應電流。

(3)知道磁剎車效應。

(4)自製簡易喇叭，以了解電磁感應的應用。

2-1電生磁

(展示)

操作步驟：

1. 線圈接上電源，並放入迴紋針中。拉起線圈觀察迴紋針。
2. 關掉電源，觀察迴紋針。(可觸摸線圈，觀察是否發熱→電流的熱效應)
3. 在線圈周圍放上指北針。通電後觀察指北針的運動；斷電後再觀察一次。
4. 將線圈的紅黑導線的接孔對調，將改變電流方向。重複步驟3，觀察指北針。

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引導問題：

• 電跟磁，是兩個毫不相干的物理現象，還是彼此之間有什麼密切的關係呢？
• 生活中，你曾經在那些產品裡看過線圈？那些產品又有什麼用途？

迷你電車 

線如何接成一套 

原理說明：

• 電流產生磁場的現象稱作「電流的磁效應」。
• 環繞在導線周圍，而且永遠跟它垂直
• 通過的電流越大，磁場越強
• 離導線越近，磁場越強

• 對於磁場方向的判斷，可以使用「安培右手定則」。伸出右手比個讚。
• 拇指方向：電流的方向
• 其他四指彎曲方向：磁場的方向。

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• 如果將指北針放在導線周圍，可以看到指北針偏轉。

.安培右手示意圖（取自：https://zh.wikipedia.org/wiki/安培定律）

螺線管磁極

（取自：https://www.ehanlin.com.tw/app/keyword/高中/物理/載流螺線管產生的磁場.html）

在使用上，我們常常會把導線繞成緊密的線圈或是圓筒狀(又稱作螺線管)，因為每一圈的電流與相鄰圓圈的電流是相同方向，因此磁場會疊加起來變大(加上鐵芯之後，磁場又會更強)。這種裝置又稱作電磁鐵，在通電後可以產生磁場，而且能依照需求調整大小；斷電之後則不產生磁場。我們可以拿它來做一些應用，例如：磁浮列車、電磁鎖、繼電器…等。

至於如何決定電磁鐵的磁極呢？我們一樣可以使用右手幫助判斷。拿出右手，將四指沿著電流流動的方向彎曲，然後伸出大拇指，大拇指所指的方向就是電磁鐵的N極。

過去全民科學周已完成之相關教案：

• 2015 : 迷你電車

https://sites.google.com/site/2015science2/home

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• 2018 : 單極馬達

https://sites.google.com/site/2018tainanscience2/home

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2-2. 磁生電

(動手做)

操作步驟：

1. 用強力磁鐵敲擊線圈上的螺絲，然後快速拔開。觀察LED燈。哪個LED燈亮起？
2. 換成用強力磁鐵敲擊螺絲的另一端，再快速拔開。觀察LED燈。哪個LED燈亮起？

引導問題：

• 電流能夠產生磁場，那麼磁場能夠產生電流嗎？
• 觀察「1-3自走電線」的手搖發電機，為什麼它能夠發電？

檢流計接線拍照

原理說明：

金屬環上的磁力線變化與電流方向

在應用上會將導線纏起來變成線圈或螺線管。我們可以想像成它們是由一圈一圈的金屬環串接起來，每一圈都能感受到磁力線變化，造成的影響就會疊加起來。

LED只有在電流由正極(長腳)流入的情況下，才會亮起，而我們一開始連接的兩個LED燈長短腳剛好相反。感應電流的方向與磁力線的變化趨勢有關。這兩個動作，造成的磁力線變化正好相反，所以產生方向相反的電流。

磁生電可以應用於發電機。我們現在可以回去看看「1-3自走電線」的手搖發電機，它就有應用到磁生電。它的內部有一組永久磁鐵，磁鐵中央有線圈。當我們轉動把手時，實際上是轉動內部的線圈(有的發電機是轉動磁鐵)，通過線圈的磁力線數目（磁通量）會因為轉動而變化，產生出電力。

直流發電機示意圖

動手做教具

2-3 磁煞車

(展示)

教具開發：張慧貞 （國立彰化師範大學 物理學系物理教育組 教授）

操作步驟：

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1. 電動的磁盤旋轉台上的轉盤有兩個磁鐵，拿木圓柱、鋁圓柱或是手持的鋁幣轉盤靠近。鋁製與木製物品是否會被吸住？
2. 啟動磁盤旋轉台。手拿手持的鋁幣轉盤的桿子，從磁盤旋轉台某一側的上方靠近但不接觸。鋁幣轉盤會如何？
3. 改成從磁盤旋轉台中心的上方靠近但不接觸。鋁幣轉盤會如何？比較2和3的現象。
4. 改成使用鋁圓柱或木圓柱靠近旋轉中的旋轉台。比較觀察到的現象。

引導問題：

• 我們可能在不接觸旋轉物體的情況下，使它停止轉動嗎？
• 在「2-2磁生電」中，我們點亮了LED，但發光的能量來自哪裡？

鋁管與磁鐵 

渦電流（來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Eddy_current）

渦電流剎車裝置

（取自：https://en.wikipedia.org/wiki/Eddy_current_brake)

在這裡使用的鋁圓柱（或是鋁幣）可以想像成是非常多線圈放在一起，減速的效果會比只纏繞線圈好很多。當磁鐵靠近或遠離它的時候，這一圈圈想像的線圈上都產生了一圈圈感應電流，電流流過金屬後將電能轉換成熱能。這些電流像漩渦一樣，所以又稱作渦電流（Eddy Current）。下圖為示意圖，一塊金屬以V的速度通過磁場B，產生渦電流I。

這種讓「運動中的金屬通過磁場」而減速的方法我們稱作「磁煞車」，整個過程是將動能經由電磁感應轉換成電能，再轉換成熱能消耗掉，因此達到減速的效果。日本新幹線700系電聯車使用的旋轉渦電流剎車裝置。

原理說明：

展演的實驗裝置示意圖

過去全民科學周已完成之相關教案：

• 2015 : 冷次定律

https://sites.google.com/site/2015science2/home

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2-4 簡易喇叭製作

(動手做)

引導問題：

• 手機或電腦…等3C產品輕輕一點就能撥放出各種音樂。它們是如何撥放出聲音的呢？

市售耳機

市售耳機

薄膜

磁鐵

線圈

市售耳機

原理

• 手機輸出聲音的訊號(電壓)

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• 線圈因為有電流，產生磁場

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• 線圈與磁鐵排斥或吸引

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• 線圈跟著薄膜一起震動，擾動空氣產生聲音

2021.12

原理說明：

a為薄膜，又稱為振動膜；b是線圈，線圈的尾端會連接到電子產品；c是永久磁鐵。

喇叭構造示意圖

• 播放音樂時，電子產品會將儲存的訊號轉成電壓輸出

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• 電流流過喇叭的線圈時，線圈變成電磁鐵

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• 和後方的永久磁鐵相互吸引或排斥

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• 薄膜因為跟線圈連結在一起，而一起運動。進而擾動空氣，產生聲音。

自製簡易喇叭

成品

材料

線圈

磁鐵

快拆端子

飾品收納盒

多芯線

3.5 mm 公頭

紙

步驟

1.拿出 漆包線，捲在捲線器上做成線圈，約40圈。兩端各留下約10cm未纏繞的部分。(也可使用電池來捲)

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2.利用捲線器兩端的凹槽，拿線圈兩端捆住線圈，使得線圈不易散開。

步驟

3.取下線圈，用砂紙磨掉線圈兩端的絕緣漆。

步驟

4.按PUSH再輕撥飾品收納盒，打開盒子。

依序放入：略小於盒子的紙、捲好的線圈，線圈正中央擺上磁鐵，蓋上蓋子

步驟

5.拿出3.5 mm 公頭

轉下下面的塑膠套

地線

右聲道

左聲道

步驟

6.拿兩條多芯線，分別繞在右聲道以及地線的接點上

接點

步驟

7.將3.5mm公頭的塑膠套裝回去

步驟

8.拿出快拆端子

9.用快拆端子連接多芯線的另一端以及線圈

步驟

10.完成！