科學玩具－磁學－磁轉玩偶音樂盒的秘密

聽聞過幾次這類的科學實作研習，不但課程名稱－「磁轉玩偶」被直接挪用，參考來源甚至只寫「網路資料」，連原理也講得不清不楚，就只是製作出一項科學玩具而已，沒有更多教學與應用的話，真的很可惜啊！

也曾有過自己研發的課程，由其他縣市的現職教師在臺師大承辦的增能場合中整套講給我（和其他學員）聽的奇妙經驗，整場都知道接下來會講哪些，也很清楚沒講到什麼。

在鏡面上上演你追我跑的戲碼，不是單純帥哥美女的追逐
而是加入轉動，邊移動邊轉動代表著合力與合力矩均不為零

由於底座是密封住的，雖然也曾看過內部，但網路上很少見到實物照片，所以就直接拆解，讓大家明白到底是怎麼回事。怎麼拆呢？音樂盒是用螺絲釘固定在底面，而且底座沒有其他的方式可以讓我們觀察內部，唯一的方式就是從最脆弱的膠合面解構，使用扁平的翹棒和槌子就可以了。

拆開底座，裡面除了有發條音樂盒可以發聲以外
玩偶的運動就是靠上方橫桿上的磁鐵來運作

玩偶分立兩側，所以各需要一個磁鐵將其定位，讓玩偶內的磁鐵與底座中的磁鐵相吸。但旋轉時只能像是大磁鐵吸著小磁鐵移動，就像火車沿著圓形鐵軌一直繞著，車頭永遠朝向同一方向。

因此，中央的磁鐵便扮起了讓玩偶旋轉的重要角色，其弧形面所形成的磁力線分布與兩旁的磁力線稍有差異，而且與玩偶內的磁鐵是互相排斥的。因此在這一吸一斥的同時作用下，不為零的力矩便出現了。玩偶的底部呈曲面，目的是形成剛剛所提到的力矩支點，也利於旋轉。

 
合力不為零、合力矩也不為零的圓舞曲，憑的是江湖一點訣
微用心觀察、動動腦就能知道怎麼合理地解釋

磁轉玩偶的秘密並不是將磁鐵擺著就好，用國中就學過的磁力線性質及力矩的概念就能解釋為何旋轉，不論是順時鐘及逆時鐘轉動都是可明確理解、論證並作出解釋。

如何用國中、國小學生聽得懂的語言來解釋「磁轉玩偶圓舞曲」？我在營隊或講座的過程裡都有示範與說明，更可具體詳述整個課程模組的發展過程與構想演進，在此不再贅述，免得又被整碗端去。

生活科學－磁學－磁浮釣魚

在夜市裡看到「磁浮釣魚」的攤位，好奇地湊過去看，才發現跟磁浮一點關係都沒有，不過卻還是有跟「磁」沾上邊的。

它和需要水池的撈（真的）金魚完全不同
和需要水流的釣（假的）水中生物玩法類似

可看到檯面上的塑膠假魚是以圓形軌跡在運動的，不難理解檯面下有較大的磁鐵吸著假魚一起運動，同時也使用同樣的機制在固定的位置讓假魚的嘴巴張開、閉合，再置入魚鉤釣起，就像大型化的塑膠魚池，使用了電與馬達控制。

由距圓心不同位置的磁鐵吸引內外各圈的假魚一起運動
假魚的造型和玩具相同，但基本上是腹部在下，故需要嘴部的控制機制

簡單的釣魚玩具的魚尾是朝下的且限制在圈圈裡，行經軌道突起處時，才會被頂起而讓嘴部張開。張嘴是因為重力力矩導致，所以只要觀察夠久，便知道假魚總在固定處張嘴等著被釣，只要耐著性子別老是轉換目標，就一定會釣到（但手抖就沒辦法了）。

生活科學－磁學－X戰局

2022臺灣科學節系列活動（11/05～11/13）

國立自然科學博物館　臺科秀：X戰局（玩磁王VS青花磁）

科學玩具－磁學－磁浮飛梭

陪伴了10多年的教職生涯，同時也流行過一陣子的磁浮玩具，2019年時終於功成身退了。這是可以用來講靜力平衡的科學玩具，不僅僅是簡單易懂，操作上也是比磁浮陀螺簡單許多，加上成功率高，因此成為百寶箱裡的常備軍。

轉或不轉都可以達到平衡，旋不旋轉就成為次要的討論方向
簡單的力學分析，就能讓國中程度的學生理解合力為零的應有概念

在一次不經意的手滑，當下滑出了裡面的構造，與地面的碰撞造成解體，雖然沒拆解前也大致能想得出來裡面的結構，只是難免心疼。磁力與重力並非想像中的簡單，懸浮的現象也是，稍有擾動，平衡即被破壞，讓飛梭往左或往右偏移。因此這玩具常需要一片裝設在側邊的擋板，讓飛梭的轉軸壓在擋板上，使水平方向的力量得以平衡，操作者只需專注在讓垂直方向的所有力量抵銷。

 
多了一片，價格不變（知道這廣告詞的都是有年紀的，承認吧）
但少了這一片檔板，想要達到平衡，可說是難如登天

翻轉過來，露出內部的設置。有四個磁鐵黏著在裡面的溝槽，兩兩以斜邊相對，所產生磁力的合力便是向上（水平方向的磁力相互抵銷，只剩下兩個同方向累加且皆為向上的垂直力量），支撐著飛梭內部的磁鐵。兩兩一組，就是兩組，對應著飛梭裡的兩個磁鐵。

 
為使磁力方向穩固，固定磁鐵的方式常以溝槽卡著佐以黏膠固定
底座裡的磁鐵不移動，消弭讓平衡不穩定的因素

底座裡一定要特定形狀的磁鐵嗎？倒也不一定
只要不是Ｎ極、Ｓ極交錯鑄成的磁鐵，都可以拿來嘗試看看

飛梭裡則是建議使用環形或實心圓的磁鐵，各向度磁力線的分布較平均，靜止或旋轉起來較其他形狀的磁鐵穩定許多，但如果你有很多時間，在磁鐵的選擇上，還是可以使用柱狀或三角柱磁鐵當作挑戰。

環形磁鐵也是很好的選擇，不論用在底座或飛梭上
而且中間的圓孔，恰好可以讓鉛筆、竹筷或木棍穿入，相當適合組裝

固定磁鐵時，熱熔膠是我的首選。當然也可以使用其他的媒材，像是快乾膠、AB膠、泡棉膠帶或魔術黏土等，但乾了會硬化的接著劑，在磁鐵表面上也會脆化，更何況沒有深入滲透，而魔術黏土有方便、易調整的好處，不過碰上外力稍大時則有變形、磁鐵位移的疑慮。因此，我才會選用稍能緩衝又能固著在不同材質表面上的熱熔膠。

手邊有許多用不完的鉛筆、免洗筷，剛好可以做為轉軸，可用削鉛筆機削出尖端，用以抵住檔板。調整磁鐵位置後，同樣也是使用熱熔膠便能使磁鐵固定於其上。

製作過程和原理說明可參考2015年幫科工館科學學習中心拍攝的影片

不過雖然我把它稱為飛梭，但它其實不像梭子一樣會在絲線中穿來穿去，只是在原處打轉。它適合擺在書桌上，當文青的裝飾（鋼鐵人也在辦公桌上放一組混沌擺），閒暇之餘動動它、轉轉它，不穩定時的抖動，就這樣看著看著，也還蠻療癒的。

科學玩具－磁學－磁浮軌道

之前到科教館（臺灣科學教育館）開會，獲得一個館方開發的、號稱磁浮的DIY伴手禮。沒有說明書，實際做出來的外觀大致上如下圖，的確也和磁力有關，但是卻跟真正的磁浮有段差距，也就是並非懸浮。

 
先折出兩側有厚度的紙盒軌道，隱藏部分物件
再將圓形磁鐵及裝飾用玩偶吸附在軌道上，即可運行

隱藏在紙盒子裡的軌道使用了2條常見的、長的軟磁條，裝的時候要注意極性，兩側軌道的磁極上下置放決定了一切。如果兩側磁條對圓形磁鐵均形成排斥，就會很不穩定，如果有玩過磁浮陀螺的夥伴就知道，陀螺需要持續旋轉才能穩定；也能讓兩側磁條都吸引圓形磁鐵；更能一邊吸引、一邊排斥。哪一種方式較好，做了才知道。

由於本身無動力，平放時將達穩定的靜力平衡

所使用的是重力驅動，因此須將紙盒傾斜，讓圓形磁鐵吸附在磁條上旋轉

市面上有些號稱磁浮的玩具軌道列車也是如此設計，但卻不是真正的磁浮，實際上是有接觸的。當紙盒受力傾斜時，圓形磁鐵重力的分力力矩（支點即為接觸點、力臂即為圓形磁鐵半徑）使得了圓形磁鐵旋轉。

磁條如何置放呢？我採用的模式是兩側均能吸引圓形磁鐵，讓圓形磁鐵吸附在同一側穩定前行時，而另一側提供的吸引力，則是讓圓形磁鐵保持水平，不至於因本身的重力而歪斜。過程中即使圓形磁鐵被吸附到另一側（換到另外一邊），運行也不會受影響。

知道這樣的製作原理後，可以設計圓形或橢圓形軌道，並加入電池與馬達驅動，讓圓形磁鐵持續轉動的話，水平的軌道即使不用傾斜，也能看到列車一直衝衝衝（外觀要設計一下，這是個人美感能力）。

科學玩具－磁學－磁來運轉圓舞曲

在以前的科學論壇分享、宜蘭童玩節玩具甄選、小達文西雜誌科學玩具專欄及協助國立高雄科學工藝博物館的科學學習中心開發教案……，都不斷地擴充「磁來運轉」教學系列。不過，有著作財產權觀念的夥伴，都會先詢問是不是可以引用，而我是從來沒拒絕過。

但是，有更多的狀況是「整碗端去」，連名稱都一樣，只是作者名稱被換掉而已，然後「自創」、「研發」的說詞便不逕而走。雖然並非所有的講師都會這樣，但無法否認這樣的人存在。只是當初分享的成果在其他場合被毫無保留的移植後，再當面跟我說「別人或許也在做同樣的研發」。

 

開發科學玩具、撰寫探究教案、參加比賽、發表研究過程……

認識各路有相同理念的夥伴，都是以前的美好回憶

聽到這樣的托詞，剛開始很氣，久了就釋懷了，畢竟一直以來都有這種人，像蒼蠅一樣，趕也趕不完，也因此在部落格中就很少發表、交流了。

成長、學習需要養分，從岐阜物理（http://www.straycats.net/）看到很多理科前輩的分享，也發表過圓舞曲的電動音樂盒版，看到他們滿滿的能量，向他們學習的想法放了很久，終於在去年趁修完生活科技第二專長的空檔完成了它。然後就放著，沒必要公告說自己做了什麼，直到最近「磁來運轉」再度被包裝成探究教案，哈哈！

科學玩具－物性－蛋殼再怎麼密也有縫Part2

這一次介紹的對象是教具，很久以前，就有鐵粉在黏性大的流體中緩緩流動的教具出現，也就是在透明壓克力盒裡填裝淡黃色的油，透過盒外磁鐵的吸引使得鐵粉有規律地排列，形成立體磁力線的效果。不過後來被挑剔的就是磁力線的變化速率慢，當磁鐵移動時，鐵粉重新排列的效率反而被黏性較大的油所阻滯。

為了改良，有些廠商將壓克力盒中的油拿掉了，直接使用空心壓克力盒裝一些鐵粉，搭配強力磁鐵，只要在手中搖一搖，就是一組具有立體效果的觀察器。然而有個小小的遺憾是鐵粉過於密集，整個是一大團包圍在一起，雖然壯觀，但也只能粗略觀察最外層磁力線的面貌。

所以又出現了下一個教具，不過這是仿傚國外教具網站的產品，稱為「神奇磁力線」，是真的很神奇，因為把黏性較大的油換成黏性較小的液體（應該是蒸餾水之類的，接下來用「水」來稱呼），使磁力線成形迅速，隨外部磁鐵移動位置也很方便。不過……

這是瓶胚，是尚未被高壓氣體加壓的塑膠瓶原料

加上瓶蓋，沒被旋轉開來應該就是密封狀態

裡面的水源本是滿滿滿的，沒有任何氣泡，不過放了一段時間後卻仍出現異狀。開始有一些小氣泡出現了，不打緊，還可以觀察。後來氣泡越來越大，大到不能再忽視它，而且氣泡的位置和移動都會影響鐵粉排列的效果。

原本相信是密封的容器，無奈氣泡仍然越來越大，而且無法挽救

在外觀沒有碰撞或旋開瓶蓋的情形下，水變少的原因當然是密封性不好，液態水分子逐漸成為氣態水分子，在瓶內蒸氣壓漸大時，更容易讓氣態分子從隙縫中離開。

搖晃之後，氧化鐵粒子因為水的流動與浮力的支撐而暫時懸浮

不過眼尖的你有看出什麼端倪嗎？

有「不明物體」在裡面悠悠晃晃的！時間過得越久，細微變化的事態會越來越明朗，以前不曾注意到的，現在卻大喇喇的出現，讓人無法忽視它的存在。隙縫所造成的不是只有水而已，因為水分子能離開，就代表其他分子可以進來，當其他物質粒子與水反應後，便出現了這個教具裡不該被觀察到的東西。

管內出現了白白的、扁平圓盤狀的不明物體，而且不只一個

近一點拍，剛好有一片像肥皂碎片的衍生物落在鐵粉磁力線中

苦主當然不會只有水而已，還包括附近會吸水的物品，像是紙張或木頭，家裡的書本或櫃子如果出現一點一點的黃色斑點，通常是因為水氣太多而受潮，也因為水的關係而使其他粒子一併附著。懂得保養的人會把珍貴的書、相機、器具放在防潮箱裡，也曾看過把書本收納在夾鏈袋中保存的方式。不過會有這麼強烈的感覺，是因為手邊有一組國外進口、裝有鐵磁性流體的磁力線觀察器，入手時間更久，直到現在也沒出現上面那些異狀，防微果然首重杜漸。

科學玩具－磁學－磁內卜

在許多年前到遊樂區買到一組Decision Maker（我自己是稱它為「磁力抽籤組」），當時為它的簡單構造和神奇效果感到驚為天人，原來磁力的玩法也可以從桌面上進階到空中，也就是從2D進入到3D，不再只是理論運算與現象觀察，而是讓概念呈現在眼前，活化大腦的運作。

這組可以二人至四人參與的玩具過幾年後也被出版社列為磁力單元的教具之一，所以包括自己原本的就已經有兩組了。原本的構造很簡單，分別為一個圓形底盤、四個圓盤型小磁鐵、一個鋼製支柱、一個磁力球，以及連接支柱與磁力球的不鏽鋼條。功能也很簡單，就是讓磁鐵之間的作用力發揮就好了。不過有個缺點就是它最多只能讓四個人玩，如果想每個人都可以製作呢？

後來在日本教授左卷健男的書中看到自製的「輕飄飄的幽靈」版本，各部位材料換成了空盒子、線、鋁線等等，才想說要來動手做一個自己的版本，不過要選些較為不一樣的素材，而且要有現代感一點。實際測試之後，書中的鋁線過於質軟，磁鐵搖擺時容易晃動，再加上安裝在空盒子底面，凸起的部分會讓晃動更為劇烈。

為了讓作品更為完善，材料也易於取得，因此選擇了光碟來代替空盒子，因為不透明的塗料層同樣起了隱蔽磁鐵的效果，再來就是反射面是轉移注意力的利器。磁鐵的部分使用雙面膠固定，鋁線與光碟之間則是用熱熔膠包覆住，輕飄飄的幽靈換成了圓紙盤，而風箏線則換成了縫衣線。

這就是完成品，我將它命名為磁內卜第一代，因為它是在圓盤面內利用磁力來占卜

比起原始的版本，操作起來的效果有過之而無不及

在製作的過程中，其實都會發現一點，就是書上所說的都是簡化過後的步驟，而真正動手去做了，才知道原本的想法、做法與實際上的差異。像是原本底盤上的磁鐵和鋁線都是用熱熔膠黏合，以為一槍在手，妙用無窮，殊不知熱熔膠在使用量上的差異會變成底盤傾斜、不穩的重大影響因素，幾經思索之後才換成雙面膠，讓變因得以控制。

在科工館的科學營中，我讓小朋友製作的是磁內卜第二代，很歡樂的感覺呀！

移除鋁線的黏合過程並增加了「靈動力量」，讓操作起來更「人性化」

這個手作玩具的效果當然很神奇，但是最妙的地方並不是在這裡，而是在製作過程中的每一個環節都是影響效果的重大因素。除非是電腦標準化作業流程，不然每個作品都是獨一無二的，舉凡磁鐵的大小、磁鐵的位置、磁鐵的形狀、繩子的粗細、懸吊的位置，乃至於擺動的初始方位與力道等等，都是影響最後停滯的關鍵變因，必須謹慎以對。

如何減少並控制實驗不穩定的因素，人是重要的關鍵。對於讓學生體驗探究過程的面向而言，這是個非常棒的體驗學習素材，也讓磁力的學習不再只是「同性相斥、異性相吸」的口訣而已。

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

科學玩具－磁學－磁場觀察片

原文發表於Yahoo奇摩部落格2012年06月29日。

手邊有種做得非常彎曲且耐用的觀察片，是將鐵磁性物質以微型封裝的方式封在夾層內，把觀察片直接放在任何磁性物質的表面時，立刻就顯現出磁場的形狀，能讓學生觀察到永久磁鐵附近的靜態磁場，或是直流電磁鐵附近的穩定磁場，而且功能還不只這樣，更可以觀察到磁性物質上的磁極數量。那怎麼知道磁極在那裡呢？

靠近磁性物質時，可以在綠色的觀察區塊上看到分成亮區及暗區兩大部分，亮區所代表的是磁力線平行於觀察片表面的區域，也就是鐵磁性物質反射光線的部分，相對於亮區的暗綠色區塊（磁力線垂直於觀察片表面），鐵磁性物質則是讓光線較容易穿透。所以用亮暗交界來區分，是種容易找到磁極的辨別方式。

以手邊的幾個永久磁鐵來測試，可以發現長方體磁鐵的磁極在面上

而周圍較亮的稜線則是磁力線平行於觀察片的區域

接著測試中央空心的環型磁鐵，看看有沒有不一樣的地方

照這樣的分布情形看來，覆蓋住的地方是一面完整的磁極

讓磁鐵在觀察片上移動時，表示磁極與磁場的亮暗區塊也會跟著移動，國中實驗室用的是鐵粉，鐵粉吸附得越多，就代表磁場越強，也就是磁極附近的鐵粉比其他部分多，移動磁鐵時也同時改變了磁場的空間分布，所以鐵粉也隨之起舞。觀察片上的亮暗區塊隨磁鐵移動，也是同樣的道理，不過兩者都不能指出目前偵測的部分是N極還是S極。

不過同樣是環型磁鐵，所呈現的磁極分布可不一樣，而且大有玄機

這個複合型的磁鐵是由六塊小磁鐵結合而成，亮區就是接合處

這是一個不錯的磁鐵演示教具，也明確傳達出磁極的科學概念，不僅僅可以單獨使用，隨時隨地可以拿來偵測生活物品當中隱藏的磁鐵或電磁鐵，像是手機裡的聽筒裡或冰箱門上的封條就有，也能找到不同型態磁鐵的磁場分布模式。也相當適合用來搭配渦電流鋁管一起演示，因為可以將它的功能發揮得淋漓盡致。

使用響尾蛇蛋之類的強力磁鐵，則是可以把觀察片吸附起來，整個騰空

而且因為磁力強，所以周圍的亮區比一般磁鐵來得寬廣

鐵磁性物質越集中且越垂直於觀察片，顏色會越深，相對的周圍就會越亮

響尾蛇蛋的暗區中央會出現一條亮帶，表示這裡有平行於觀察片的磁力線通過

起初並不知道磁極觀察帶裡面的物質是什麼，後來知道裡面含有數以百萬計的微小鎳金屬顆粒懸浮在這薄薄的夾層內，但可以確定的是，當磁鐵放在附近時，微小的鎳金屬顆粒便會被磁化並按磁力線方向排列。

但我在研究它的性質的過程中還發現一個頗為奇妙的地方，如果透過它對著較亮的光源看，本來較暗的地方，鎳金屬顆粒依磁場排列的方向垂直於觀察片，透光性則會高於周遭！