(三)「電流磁效應」活動指導
教學重點:
觀察電流周圍的磁場形狀及影響其磁場大小的變因。
藉由這活動讓學生學習控制變因的意義並運用在實驗設計上。
教學資源:
器材:電線、電池(或直流供應器)、磁針數個。
時間:1〜2節。
使用說明:
本活動共有三個附錄:探討式活動紀錄與指導式活動紀錄擇一使用，搭配電流磁效應學習單。
「電流磁效應」教學示例 | 說明 | ||||||||||||||||||||
【協助學生確定問題】 我們認為影響電流磁效應的因素有電流大小、距離電線遠近、溫度高低。我們決定進行電流大小對磁效應的影響。 【協助學生獲取資料】
【鼓勵學生提出想法】
【激勵學生推廣應用】
【適當時機進行評量】 本活動之評量採以下幾種方式進行： 1.小組報告： 小組將整個設計活動摘要記錄下來，其內容包括「我們的問題」、「實驗步驟」、「有關此問題所學過的相關知識」、「資料分析與研判」、「結論」。 2. 經驗分享情形： 聽取別組的報告完成學習單了解影響電流磁效應的兩個主要因素是距離和電流大小。 | ⊙提供學生有關厄斯特發現電流磁效應的故事，並進一步要找出影響磁效應大小的因素。 ⊙學生提出的因素可能很多，也包括了一些影響程度較小的因素，例如想知道溫度的影響也可以讓學生試試看。一組至少選擇一個變因進行實驗。此活動可以訓練控制變因即操縱變因的設計。 ⊙老師要幫助學生確定實驗步驟是否合宜，測量的項目是否足夠。 ⊙教師要確認此活動學生的概念學習包含了影響磁場大小的因素及磁場方向的判斷(安培右手定則)。 ⊙學習單可以幫助學生對電流的磁效應有一個全面性的了解。 |
附錄3-1a:『電流磁效應』探討式活動紀錄單
題目:電流的磁效應
研究目的:藉由實驗設計及實驗操作了解影響電流周圍磁場的因素。
我們的問題:
我們認為影響電流周圍磁場的因素有哪些?
我們選擇哪個(些)因素做為我們要探討的項目?
著手來探究
什麼是我們的操縱變因?哪些是我們的控制變因?
用什麼來代表(量測出)電流所造成的磁場大小?需要什麼材料?
我們要紀錄哪些現象?哪些數據?可以用什麼樣的表格表示?
我們的發現和看法
由哪些證據我們可以知道問題的答案?
我們所選擇的因素是否會影響電流所產生的磁場?有何影響?
檢討與建議
這些實驗有沒有更好或方便的實驗方法?
有沒有哪些問題可以更深入的探討?
依據我們所得的結果，可以提供些什麼建議?
附錄3-1b:『電流磁效應』指導式活動紀錄單
實驗原理:通以電流的長直導線周圍的磁場是同心圓，磁場方向可由安培右手定則得知；影響磁場大小的因素有電流大小及距離導線的遠近。
實驗器材:電池(直流電源供應器)、導線、羅盤、鐵粉、白色硬紙板。
實驗步驟:
白色硬紙板中心打一個小洞讓電線可以穿過，以直流電源供應器或電池連接電線。
在白色硬紙板灑上鐵粉；觀察鐵粉呈現的形狀。
以四個磁針放置在導線周圍東西南北四個方向；觀察四個磁針在斷路時的指向及通以電流時各個指針的偏轉情形，並紀錄下結果。
在導線周圍東西南北四個相同的方向但較遠的距離重複一次步驟3，並紀錄結果。
改變電壓大小(乾電池數目)及電流方向重複步驟3，結果有何不同?
實驗紀錄:
請畫出鐵粉在白色硬紙板上所呈現的形狀。
將實驗結果填入下表:
實驗 | 電壓 | 電流方向 | 磁針與導線的垂直距離 | 磁針的方向及角度 | |||
東 | 西 | 南 | 北 | ||||
一 | |||||||
二 | |||||||
三 | |||||||
四 | |||||||
結論:從此實驗中我們可以回答下列問題:
通以直流電的導線周圍是否有磁場?磁場的形狀是如何?
ANS:可以由磁針偏轉得知有磁場的存在，由鐵粉的形狀可以得知磁場是同心圓。
實驗中如何得知電線周圍的磁場方向?磁針的偏轉角度大小代表什麼意義?
ANS:可以由磁針的方向得知磁場方向，同一位置的指針偏轉越多表示磁場愈大
電線周圍的磁場方向及其磁場大小會和哪些因素有關?
ANS: 電線周圍的磁場形狀是同心圓，方向可由安培右手定則判定；其大小會受到電流及距離的影響:電流越大距離越近則磁場越大。
附錄3-2:電流磁效應學習單三年班號第組 姓名:
從你們這組的實驗及聽過其他組的報告後你應該可以回答下列問題:
1.從什麼現象或什麼數值，我們可以知道電流所產生的磁場大小?
我們可以從磁針偏轉的程度(量出偏轉的角度)知道磁場大小，偏轉大則磁場大。
2.什麼是操縱變因？什麼是控制變因?實驗時要如何設計這兩部份?
實驗時只能允許一個因素改變，就是操縱變因；其他被認為會影響結果的因素要
固定住就是控制變因。
3.會影響電流周圍磁場因素有哪些?有什麼影響?
電流大小(電池數):電流越大偏轉越多，電流反向偏轉方向也相反。
靠近電線的遠近:越靠近電線，磁場越大，角度偏轉愈多。
4.從電流的方向及磁針的指向可以應證安培右手定則，請用寫下何為安培右手定則?
拇指代表電流方向，而四指所繞的方向就是磁場方向。其磁場是同心圓的形狀，磁針的指向就是該點的磁場方向。
5.除了以上這幾個問題，從這次的報告或實驗中你還學到什麼?
自我檢討
★這次實驗我擔任的工作是:，我(喜歡or不喜歡)這份工作，因為
★我覺得這次實驗自己表現最好的地方有:
應該改進的地方是:
★我認為這一組組員表現最好的是:因為他
★我認為其他組中，表現最好的是第組，因為:
(四)「電磁鐵比賽」活動指導
教學重點:
1.藉由學生自己操作、嘗試並與其他組別找出影響電磁鐵磁性大小的因素有:電流大小、鐵心的有無及其材質、單位長度內的札數。
2.利用磁針找出電磁鐵的兩極，並介紹安培右手定律。
教學資源:
1.器材:不同材質、粗細的電磁鐵鐵心；電池；相同長度漆包線數條(每條約100公分)、磁針、迴紋針。
2.時間:全部活動一節課完成；比賽進行時間為15分鐘。
教學說明:
教師需要花時間尋找不同的材質的電磁鐵鐵心，設計者在使用找了下列這些材質可提供參考:10公分長粗鐵條、10公分長細鐵條、10公分長中空鐵條、10公分長白鐵、鋁棒、銅棒。若沒有鐵條也可以用粗細不同的、鐵釘代替。
本活動有附錄4電磁鐵比賽學習單。
活動教學示例
「電磁鐵比賽」教學示例 | 說明 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
【說明比賽規則】 利用老師所提供的材料試試看，找出磁力最強的電磁鐵；並將每一次的實驗數據紀錄下來。比賽時間15分鐘。 【協助學生設計表格】 比賽開始前讓學生先設計一個表格(附錄4)來紀錄待會兒要觀察或紀錄的內容，應該包括電磁鐵中心的材質、電磁鐵長度、共繞了幾圈、幾個電池、吸起幾個迴紋針等 【進行比賽】 各組學生嘗試幾個不同材質電磁鐵心，找出做強的電磁鐵。也許時間不足讓每一組做完所有實驗，但動作快懂得合作的組別可以做完全部實驗。 【公佈比賽結果】 老師於黑板畫一個表格可以紀錄各個組別最強電磁鐵的情形，例如下表:
獎勵冠軍組(例如加分) 【影響電磁鐵磁力的因素及安培右手定則】 實驗結果可歸納出
介紹安培右手定則來判定電磁鐵的兩級方向。 【完成學習單】 利用剩下時間完成電磁鐵學習單，若時間不足可帶回去當作業。 | ⊙可提醒學生小學做過用電線繞筆做成電磁鐵。 ⊙老師可設計其他變因，讓學生嘗試。本實驗所提供的漆包線是75公分，嘗試結果可能100公分會更合適。老師可視情形修改。 ⊙可同時參閱電磁鐵學習單(附錄4)及學生回答的情形(附件七) ⊙老師應該走動於各組間，可以建議學生先從鐵的材質做起，因為銅心棒可能連一個迴紋針都無法吸起，會讓學生以為自己做錯了而無法繼續進行。 ⊙有時會有不同於理論的結果出現，可進行討論探究其原因，筆者教學時最常發現的情形是將因素歸在電池的部份。而電池的確也是一個很重要因素。因為無法每組學生每次都使用新電池；本實驗很耗電，老師應注意使用前確認電池還有電。 ⊙老師也要將安培右手定則引入，總結時由安培右手定則去檢驗電磁鐵的N、S級與磁針所測出的是否相同。 |
附錄4:電磁鐵比賽學習單 三年班號第組 姓名:
比賽目的: 藉由各組比賽找出影響電磁鐵磁性大小的因素，做為設計磁浮列車時的參考。
這是我們設計的電磁鐵:
為了找出最強的電磁鐵，我們必須考慮下列這些事項:
電磁鐵的中心是否放入其他物質，還是空心的?若有放入東西，是什麼材質?粗細如何?
2.我們的電磁鐵有多長?共繞了幾圈?
3.我們用了幾個電池?總共可以吸起幾個迴紋針?
4.我們磁鐵哪邊是N極?如何得知?
我們設計了下面的表格來紀錄本組的實驗以便找出最強的電磁鐵:
比賽結果:我們的磁鐵與冠軍磁鐵差異在哪裡?
自我檢討
★這次比賽我的貢獻是:，我(滿意or不滿意)自己的表現，因為
★我認為本組組員表現最好的是:因為他
★我認為其他組中，表現最好的是第組，因為:
(五)「電磁鐵可以做什麼?」活動指導
教學重點:
學生自己找資料、整理資料找出影響電磁鐵的應用。
教學說明:
作為學生的作業，只交書面資料或上台報告可依使用的老師決定。
提供附錄5相關資料給教師參考。
附錄5:電磁鐵應用相關資料
電磁鐵可應用在電鈴、麥克風、無熔絲開關繼電器、電磁接觸器、電動馬達、電話、動磁場離合器、起重電磁鐵、安培計伏特計和電磁閥等器材。
其原理介紹如下:
電鈴:
麥克風:
電磁開關:由電磁接觸器及積熱電驛組合而成。電磁接觸器是持有激磁電磁鐵時作閉路，減磁時作開路的接觸子，可耐電氣回路之頻繁操作的開關。電磁接觸器可用來控制大型電力設備(例如：馬達)的裝置，它利用電磁鐵的效應，改變接點的開關狀態，來達到控制的目的。低壓交流電磁接觸器加電流電驛將主回路電流超過規定值以上時作開路之接觸器叫做電磁開關，適合於電動機及各種回路之控制。
電磁離合器:常用的電磁離合器有電磁質點離合器或稱為磁粉離合器、動磁場離合器及渦電流離合器三種﹕電磁質點離合器係運用磁場中的磁粉以傳遞動力；動磁場離合器有如一由電磁啟動之盤離合器，而固定於輸入軸之電磁鐵則隨之轉動；渦電流離合器亦是藉電磁感應以傳
遞動力，所不同在於兩傳動軸在相對運動中完成動力傳遞。電磁閥:電磁閥可用於遠距離或短接轉時間的控制中使用，可利用電氣定時裝置、電子定時器、電氣極限開關或壓力開關等產生電氣訊號以改變電磁閥的接轉位置；電磁力可直接吸引柱塞而使閥之接轉位置改變。當電磁鐵通電後，電磁力大於彈簧力，柱塞被吸提上升；電源切斷，彈簧將柱塞拉下，利用電磁鐵及彈力使之成為可以控制的閥。
參考資料:
http://class.ylc.edu.tw/~boe02/sin/bandit/ele_mag.htm
http://ee.oit.edu.tw/~lee/oit_industrial/lvsw02.htm
http://designer.mech.yzu.edu.tw/medis/infor_service/BRAKE/clu03.htm
http://mercury.tchcvs.tc.edu.tw/~itdc/webtitle/c03/mcs.htm
http://teach.mde.nhit.edu.tw/courses/pneumatic/courseware/chapt4/413123.htm
(七)「磁浮列車可行嗎?」活動指導
教學重點:
1.藉由學生自己設計、嘗試將磁浮列車實際做出來。
2.藉由收集資料讓學生對磁浮列車有較全面性及深入的認識。
教學資源:
1.時間:學生一起設計磁浮列車的設計需要1節課；實作部份需要學生回家繼續完成，過程中可能需嚐試錯誤，一直修正。
教學說明:
這部分需要許多時間回家完成，近可能引起學生去完成企圖心；剛開始會擔心學生可能作不出來而無法持續，但要做到讓車子浮起來並且走一段距離是一定做得到。盡量讓學生依照自己的設計而非依樣畫葫蘆。請參考附件九及影片3。
「電磁鐵可行嗎?」教學示例 | 說明 |
【協助學生確定問題】 要做出磁浮列車需要克服兩個問題:如何讓車浮起來及如何讓車子前進。 我們都知道磁力相斥可以讓磁鐵浮起來，但我們也發現磁鐵非常容易翻轉而相吸?如何克服翻車問題?只有垂直方向的兩個力(斥力、重力)是否較容易翻車?一個人單腳站著似乎較不穩；若身體兩側有人同時推你似乎較穩!我們將想到的圖畫下來。 如何讓車子往前走?也可以用磁鐵相吸或相斥的力嗎?要如何安放這些磁鐵的位置? 【鼓勵學生提出想法】 1.學生有想法時，將圖畫在黑板上大家討論可以刺激出新的想法。 【激勵學生推廣應用】 | ⊙要從力的平衡下手。 ⊙學生的能力有時超出老師原先的設限；筆者作此活動時自己也不肯定是否會做出來(因為自己也沒做過磁浮列車)但學生所作出的產品卻是可行的而且非常符合專家原先所設計的觀念。 ⊙鼓勵學生盡量動手作，才容易找到問題作為改進的依據。 ⊙真的沒有想法時可以找一個別班的設計圖(較簡單的不要太複雜。例如:要防止車子翻車可以在兩側用板子擋住即可)引起學生去解決困難而畫出設計圖。有時學生的直覺是違反科學原理的；讓學生實際去實驗它便知道他的錯誤了。例如學生覺得會翻車，那在上面壓個重物就不會翻車了；讓他試試看吧，自己做的結果是最有效的。 |
附錄7:磁浮列車相關資料
磁浮列車浮起的原理
永久磁鐵或電磁鐵異極會相吸，同極卻有極強的排斥力，磁浮列車能浮起來就是利用這個原理。磁力懸浮(Magnetc Levitation，簡稱Maglev)原理，亦即利用磁力的相吸或相斥，使車輛浮離地面1~10公分，以減少摩擦、提高行車速度，然後運用線型馬達(linear motor) 的推動力前進。最高行車速度可達每小時307-500公里。
磁浮列車所使用的電磁鐵
一般的電磁鐵只有在通電時候才具有磁性，電流一切斷它的磁性就會消失。不過磁浮車內所使用的電磁鐵卻和永久磁鐵一樣，永遠也不會失去磁性，這是因為磁浮車所用的電磁鐵是用超導電金屬(或稱為超導電磁石Super Conducting Magnets 簡稱SCM ，它是利用鈮、鈦所製成的合金線圈，在絕對溫度零度時的電阻為零)做成的，目前所採用的冷卻方法，是將線圈浸在絕對溫度四度以下的液態氦中，再通以電流，因為在接近絕對零度中，合金線圈無電阻，電流便可在其間永不止息地流動，故通一次電後，這種線圈就像是一個永久磁鐵，永遠具有磁性。
磁浮列車前進的原理
磁浮列車的前進原理是利用線性馬達。線性馬達將原來普通馬達轉動的力量轉換為直線移動的力量。同樣利用磁力的排斥力與吸引力，使得浮在軌道上的列車能向前加速或減速，由於車體與軌道間沒有摩擦力，能量不會因此而消耗。
在車體上交互排列著N極與S 極的磁鐵，只要變換側面壁上的電流方向，使在車體前面壁上電磁鐵的磁性與車上電磁鐵的磁性相反，而在車體後面壁上電磁鐵的磁性與車上相同，就會產生前吸後推的作用而使得車子前進。由於列車一經開動後，這種前吸後推的磁性關係就會跟著變化。(如圖)。
科學研習42卷第二期 國立台灣教育科學教育館
http://140.127.117.212/huang/stephen/page/newpage1.htm
http://www.phys.ncue.edu.tw/~nsl/studio2000/88151206.htm
http://library.kmsh.tnc.edu.tw/science/content/1975/00060066/0006.htm
http://teacher.hkjh.kh.edu.tw/aubrey/life/invent/5-8.htm
http://www.ccsh.tp.edu.tw/study/car/furtureMRT/use.htm