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如影隨形的磁鐵
2016.8.15
※器材:強力磁鐵、磁鐵、玩具車(塑膠製) 操作過程與現象: 不同磁鐵之間不是吸引就是排斥,不會同時又吸引又排斥。以下二個實驗利用巧妙的設計,可以呈現若即若離,如影隨形的有趣現象。 實驗一: 將磁鐵以膠帶直立的黏貼在玩具車(塑膠製)的車頭固定。將紙團靠近玩具車,玩具車很快被紙團內的磁鐵吸引,而且可以被紙團拖動。但是,玩具車瞬間離開了紙團,而且紙團一靠近,玩具車就遠離。再一瞬間,玩具車又被吸引,拖動一段距離又再被推開,反覆的吸引、排斥、吸引、排斥……。這是怎麼回事呢? 實驗二: 將一個強力磁鐵以膠帶橫向的平貼在玩具車的車尾的底部,然後將包裹了強力磁鐵的紙團靠近(註:與實驗一的紙團不一樣),結果玩具車被紙團內的磁鐵吸引(如圖六),奇妙的是:玩具車雖然被吸引,但是不會接觸到紙團,而是保持一小段距離。如果前後移動紙團,玩具車也跟著移動,但是就是不肯和紙團接觸,一直保持一段距離喔!這是怎麼回事呢? ※原理: 實驗一的原理較為簡易,為二個 磁鐵玩具之間的排斥以及吸引,但是必須為互相垂直。圖八、圖九的顏色代表磁極方向,以藍色代表黏貼在玩具車上的磁鐵,手拿紅色磁鐵。當如同圖八的方向,也就是紅色磁鐵的右邊翹起來,則由於紅色面(不同磁極)朝向藍色磁鐵,異極就會相吸。接著將紅色磁鐵的左邊翹起來,如圖九;則紅色磁鐵的另一極朝向藍色磁鐵,由於相同磁極排斥,就會被推開了。 上述的操作,由於二個磁鐵一個放直的,一個放平的(互相垂直),因此改變很小的角度就可以控制吸引或排斥。如果二個磁鐵互相平行,則改變吸引、排斥所需要的角度至少超過90度,就比較不容易操作了。   實驗二的裝置比較複雜,而且需要選取適當磁力的DIY磁鐵,否則無法呈現保持距離的現象。總計共需要二個大的強力磁鐵(直徑1.5公分)、六個小的強力磁鐵(直徑0.5公分)。裝置與原理如圖十,將一個大磁鐵(藍色)黏貼在玩具車,紙團裡的磁鐵以六個小磁鐵吸在大磁鐵的周圍,由於小磁鐵之間會互相排斥,所以小磁鐵會自然的等距離分開。因此排列上會形成二個大磁鐵之間為異極(相吸),小磁鐵與左邊大磁鐵則為同極(相斥)。 一開始二個大磁鐵之間的吸引力大於小磁鐵產生的排斥力,所以左邊的大磁鐵(玩具車)會被吸引過來。但是靠近之後,小磁鐵產生的排斥力因距離縮短而變大,因而將左邊大磁鐵拒於一定距離。而當距離增加(互相遠離)時,二個大磁鐵之間的吸引力又可讓距離保持固定。簡言之,保持距離所需的「吸引力」由大磁鐵提供,「排斥力」則由小磁鐵提供。 雖然左邊的大磁鐵(玩具車)被吸引過來之後,與小磁鐵之間的排斥力會變大,但是二個大磁鐵之間的距離也同時縮小,吸引力不是也變大嗎?此問題須要考慮磁鐵的距離與磁力變化的關係。磁力大小與磁鐵間的距離平方成反比,參見圖十;大磁鐵之間的距離由L1縮短為L2,與小磁鐵之間的距離由l1縮短為l2,以「變化的比率」而言,l1/l2大於L1/L2。亦即當左邊大磁鐵靠近時(此時大磁鐵之間的吸引力較大),小磁鐵提供的排斥力因「距離接近而增加的程度」大於大磁鐵之間的吸引力增加,因此接近到某一程度時,排斥力大於吸引力就保持距離了。同理,如果遠離時,小磁鐵提供的排斥力因「距離增加而減少的程度」也大於大磁鐵之間的吸引力變化,因此遠離某一程度時,排斥力小於吸引力,就會因吸引而保持距離。另一方面,理論上圖十的藍色磁鐵不可能和右邊的小磁鐵接觸到,因為距離如果為零,則排斥力無限大。
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