2013年5月7日

科學玩具-磁學-磁浮筆

物理教學與示範研討會曾經送過與會來賓一款磁浮筆,作為各路人馬不辭千里參加盛會的心意,不過除了它是一支筆以外,還有附加電子時鐘與溫度計的功能,就像發明展展品一樣將功能齊聚一身,禮輕情意重。
在東吳大學辦的這一場物理教學與示範研討會中
每位學員都拿到這組與生活緊緊相依的科學小禮物

當然在電池的電能不足以提供時鐘運作以後,再加上拆開封死的塑膠硬殼來更換小電池不是不可以,但是頗為麻煩,所以這一款只能使用一次的電子時鐘,面臨被理化老師拆解的命運。不過更有想像空間的,不是電子電路,而是如何可以讓磁浮筆站得直挺挺的。

靜力平衡包括使物體不移動(合力為零)與不轉動(合力矩為零),磁浮筆本身有受到向下的重力與底座的向上支撐力使其不移動,然而如果像是筆尖般接觸面積狹小的話,還要考慮讓重心低於支點,不然會很容易傾倒。如果沒有辦法改變支點與重心的分布位置,那就要施加其他外力來維持平衡了。

這裡已經沒有其他的接觸力,所以要朝非接觸力的方向來思考,且重力必然存在,且只要偏離支點的垂直軸,便會造成重力力矩,然而靜電力所形成力矩又不足以與重力力矩抗衡,所以就要朝磁力的範疇來思考,況且磁力的大小和作用範圍是方便調整的。

曾經做過一個科學勞作,就是紙盒內有一隻飄浮在半空中的蝴蝶,蝴蝶想要往上飛卻被一條線綁住,看起來就好像在放風箏一樣。這個科學勞作與磁浮筆的原理其實是一樣的,都是利用磁鐵吸引的力量。只不過科學勞作內的磁鐵是吸引紙製蝴蝶背後的迴紋針,而磁浮筆是用磁鐵吸引鐵片,也就是將鐵製物品暫時磁化成軟磁鐵,讓異性極靠近而相吸。
因為筆的重量大於蝴蝶,所以需要的磁吸引力就要更大一些,才不會偏倒
所以除了大磁鐵以外,筆的末端還加了小鐵片來增加相吸的力量

光是拆背面的板子就花了一番功夫,還要把透明塑膠板抽出
隱藏在上層塑膠殼中的,也就是時鐘面板後方的,就是一塊圓形大磁鐵

就是這塊藏在頂端的圓形大磁鐵提供了吸引的力量,讓磁浮筆可以筆直的站著。可以探討的是磁鐵的形狀與磁場內的磁力線分布,一定要使用圓形磁鐵嗎?棒狀磁鐵或U型磁鐵可不可以?又或者,筆的末端能不能換成磁鐵?吸引力會不會更強,讓它真的飄飄然?不過若真的換成磁鐵,那可得要在安裝的時候辨明磁極,萬一讓大磁鐵和磁浮筆是相斥的,那可就永遠都站不起來了。
它很顯然地是溫度計,不過只有在單獨擺設時量測環境溫度較有用
因為握筆時,跟人體表面皮膚的熱平衡是會讓紅色液柱往上升高的

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