指尖陀螺應用於電磁感應之探究活動設計

指尖陀螺應用於電磁感應之探究活動設計

謝甫宜

高雄市立陽明國中 lkksfe@gmail.com

前言

自 2017 年起風靡校園的指尖陀螺曾被票選為最佳療癒聖品。這項以鋼珠或瓷珠作為軸 承而轉動的玩具，在手指間輕盈地反覆來回旋轉的確相當紓壓。筆者從 2017 年起陸續研製 指尖陀螺系列教材，並於今年(2018 年)的物理教學研討會中，受邀在大會晚宴上演示，獲得 與會者頗多好評以及指教（圖 1、圖 2），提供並鼓勵筆者藉由指尖陀螺為本位而產生更多相 關概念的彙整、發想、創造有趣的物理教具。限於篇幅，本文僅提供指尖陀螺電磁感應系列 的探究實作活動與物理同好分享。 本文旨在以科學遊戲本位設計生動有趣的「指尖陀螺探究實作課程」，包括磁剎車與電 磁鋁箔杯等探究實作活動，除了寓教於樂以增進學生的物理學習動機之外，也提供中學學生 對於電磁感應、法拉第定律、冷次定律等相關概念之理解。 10.6212/CPE.201812_19(2).0007

車教學演示，大多採用一大片的鋁合金圓盤或不被磁鐵所吸引的金屬盤在固定場磁鐵中擺 動，金屬圓盤便產生磁通量的變化，造成運動速率逐漸變慢、乃至靜止。 筆者採用較為輕巧的鋁合金製指尖陀螺，不僅適合物理教學演示，且因其價格便宜、體 積小、方便操作等特性，亦可提供給每一位學生親自操弄與改變變因，以探索各項物理量。 實驗步驟如下： 步驟 1、鋁合金製的指尖陀螺快速旋轉，如圖 3； 步驟 2、以強力磁鐵靠近快轉的指尖陀螺時，觀察指尖陀螺的轉速是否改變，如圖 4。 步驟 3、以 3 顆強力磁鐵分別吸附在鐵製指尖陀螺各個葉片上，如圖 5； 步驟 4、將鋁合金製的指尖陀螺放置於鐵製指尖陀螺上，如圖 6； 步驟 5、快速旋轉底下鐵製指尖陀螺，觀察鋁合金指尖陀螺運動情形，如圖 7； 步驟 6、以不同數量的強力磁鐵控制磁場強弱，觀察鋁合金指尖陀螺的轉速是否改變， 如圖 8 所示。 圖 3. 鋁合金製的指尖陀螺快速旋轉 圖 4. 以強磁接近轉動中的指尖陀螺

圖 5. 吸附在鐵製指尖陀螺葉片的強磁 圖 6. 鋁合金指尖陀螺置於圖 5 裝置上 圖 7. 觀察鋁合金指尖陀螺轉動情形 圖 8. 探索強磁數量對於轉動速率的影響 圖 9. 轉動吸附強磁的鐵製指尖陀螺 圖 10. 鋁合金葉片隨強磁轉動而轉動

吸附強磁的鐵製指尖陀螺而隨之轉動，如圖 9 與圖 10 所示。 二、冷次定律探究活動延伸應用 除了上述採用兩個材質不同的指尖陀螺進行物理教學演示或提供學生實作之方式外，筆 者進一步發想而採用鋁罐底部（裁剪開罐飲料）進行探究實作活動，不僅兼顧環保概念、亦 饒富趣味性與認知性，實驗步驟如下： 步驟 1、將一開罐飲料之鋁罐底部剪裁成淺底的「鋁杯」，如圖 11 至圖 14； 步驟 2、以強磁吸附鐵製的指尖陀螺之葉片上，如圖 15； 步驟 3、將鋁罐底部圓片放置於指尖陀螺軸承上，並快速旋轉指尖陀螺，如圖 16； 步驟 4、以不同方向旋轉指尖陀螺，觀察鋁罐底部圓片運動情形，如圖 17 至圖 19； 圖 11. 取得飲料鋁罐 圖 12. 剪下鋁罐底部 圖 13. 修整鋁罐底部至平整 圖 14. 剪裁成凹槽淺底鋁杯 圖 15. 以強磁吸附葉片 圖 16. 撥動指尖陀螺旋轉

圖 17. 鋁杯同方向轉動 圖 18. 轉速愈快，鋁杯轉速愈快 圖 19. 轉動至停止 鋁杯與上述的鋁合金指尖陀螺相同，雖然都不被磁鐵吸引，但根據法拉第定律，強磁的 快速轉動使鋁杯產生渦流，而且鋁杯隨著指尖陀螺的轉動方向產生同方向轉動，當轉速愈 快，鋁杯轉速也愈快，直到指尖陀螺因摩擦力而轉速變慢或停止時，鋁杯也跟著停止轉動。 通常上述實驗成功率極高，我們可進一步提供學生思考以下問題並進行探究實作活動。 例如，三顆強磁的磁極位置是否同名極都要朝上擺放，鋁杯才能持續轉動呢？如果磁極交錯 擺放，鋁杯是否也能持續隨著指尖陀螺轉動呢？如果三顆磁極的 N 極都朝上擺放、抑或採用 N 極、S 極、N 極等交錯朝上擺放，是否影響鋁杯的轉動速率呢？ 筆者進一步說明如下： 如圖 20，我們依序採用 N 極－N 極－S 極的擺放方式，並將靠近上述各磁極的鋁杯分成 A 區－B 區－C 區進行探討。當指尖陀螺快速轉動時，根據冷次定律，靠近 A 區的強磁 N 極 因轉動而離開時，A 區會感應成 S 極；而靠近 B 區的強磁 N 極也因轉動而離開，造成 B 區 亦感應成 S 極；靠近 C 區的強磁 S 極則因轉動而移開，使得 C 區感應成 N 極，如圖 21。 根據冷次定律對於上述的推論，靠近鋁杯的各區塊，不論磁極為 N 或 S 極，都會因指尖 陀螺的轉動改變磁通量，造成鋁杯都會隨著指尖陀螺的轉動而轉動，且鋁杯的轉動方向恆與 指尖陀螺轉動方向相同。因此，鋁杯不因吸附在鐵製指尖陀螺上的三顆強磁之磁極位置而影 響轉動。

N 極

S 極

感應成 S 極 感應成 N 極

N 極

感應成 S 極 A 區 B 區 C 區 A 區 B 區 C 區

結語

108 新課綱強調情境化、生活化、應用性高的探究實作課程設計與科學素養的培養，故 採用較輕質的鋁合金所製作的指尖陀螺、鋁箔、鋁罐底部等生活素材，不僅適合電磁感應教 學演示，因取材容易、價格便宜、體積小、方便操作等特性，亦可提供給每一位學生親自操 弄與改變變因，以探索各項與電磁感應相關的物理量。 探究歷程為學生留下思考的痕跡藉以活化物理科教學。就推廣科學教育而言，教師是知 識的消費者與傳播者，亦可成為知識的生產者與創造者。有趣的科普活動如能適切地轉換成 更深入探索變因的探究實作活動，不僅能提供學生成功的學習經驗與操作實驗的能力，更能 提升學生的科學學習動機與運用概念進行推理的能力。此外，進一步結合學生的生活經驗、 學生熟悉且感興趣甚至蔚為流行的玩具，經教師妥善地規劃與課程的創意設計，便可成為培 養學生高層次推理思考之情境化的探究實作課程。 108 新課綱強調探究實作課程設計與科學素養的培養，本文透過學生所熟知或曾把玩過 的指尖陀螺發展為電磁學之教材和課程設計，以增進學生對於電磁感應概念與冷次定律的理 解，同時也從改變操縱變因培養問題解決與生活運用能力。筆者期盼藉由本文拋磚引玉，與 物理同好一同為台灣物理教育而研製更多能增進學生學習的物理教材與創意教學。

致謝

感謝物理教育學會洪理事長偉清教授、邱理事韻如教授、以及物理同好們長期的支持與 鼓勵。

參考文獻

何偉雲(2009)。尋找物理概念學習與物理現象解釋中遺失的環節研究成果報告，p26-27。行 政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告，計畫編號：NSC 98-2511-S-153-008。 曾秋雲(2012)。磁生電科學玩具之設計與教學。國立臺中教育大學科學應用與推廣學系科學 教育碩士學位碩士論文。 柯利弗德．皮寇弗(2013)。物理之書。時報出版。