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素養活動・電流的磁效應

起重機爭霸賽

一顆螺絲、一條 100 公分的漆包線、一個電池盒，做一台電磁起重機，比賽誰搬的迴紋針最多。四個材料選擇只能研究一個，其他三個要靠物理知識判斷。為龍騰出版社《物理（全）素養活動手冊》設計的主題 4。

看課堂實況自己組一台
起重機爭霸賽
  • 4 選 1四個材料問題，只能研究一個
  • 100 cm每組只有一條漆包線
  • 50 分鐘一節課完成設計、組裝與比賽
  • 3 人一組輪流搬運迴紋針

組裝好之後先測試：同一個電磁鐵，換一種材料再吸一次。

課堂實況

用電磁鐵搬迴紋針

把漆包線繞在螺絲上，接上電池盒，就是一台電磁起重機。

比賽規則很簡單：把迴紋針從 A 桌搬到 B 桌的盤子裡，搬最多的贏。不能用手碰迴紋針。

研發團隊的難題

經費只夠研究一個問題

每一組拿到一張任務卡：「你們是電磁起重機的研發團隊，核心架構已經完成，剩下四種材料不知道怎麼搭配磁力最強。但剩下的經費只夠研究其中一個問題。」

研究的那一題，兩種材料都能拿來比；另外三題只能各選一種，運用學過的物理知識先猜，還要寫下選擇的理由。

小組討論：要研究哪一題，其他三題選什麼
小組討論：要研究哪一題，其他三題選什麼
  • 四個選擇螺絲粗或細、碳鋼或不鏽鋼、漆包線粗或細、電池串聯或並聯。
  • 有限的資源每一種材料都準備得比組數少，先到先得，逼大家想清楚再選。
  • 用比賽驗收猜得對不對，最後看搬了幾根迴紋針。

自己組一台

哪一種搭配電流最大

切換四個材料選擇，看線圈繞了幾圈、電流有多大。再按「電池反接」，看看磁極和指北針怎麼變。

磁力線的濃淡只是示意

A 螺絲直徑
B 螺絲材質
C 漆包線
D 電源

線圈

導線電阻

電流

匝數 × 電流

圈數用「100 公分 ÷ 一圈的周長」估算，只繞一層；漆包線的電阻依教案：粗線每公尺 0.084 Ω、細線 0.338 Ω。電池用「每顆 1.5 V，加上內電阻」計算。鐵心材質與粗細對磁力的影響沒有計算。

最容易猜錯的一題

串聯電壓比較大
電流卻不一定

兩顆電池串聯是 3 V，並聯只有 1.5 V，直覺會選串聯。

可是 100 公分的漆包線電阻很小，粗線只有 0.084 Ω，電池自己的內電阻反而成了主角。串聯時內電阻跟著加倍，並聯時內電阻減半。算下來：每顆電池的內電阻比導線電阻小，串聯的電流比較大；比導線電阻大，並聯反而比較大。

影片裡的學生就是這樣討論的：「表面上串聯的電壓較大，但內電阻也跟著串聯。」

  • 不鏽鋼為什麼不行？ 不鏽鋼是鐵加上鉻、鎳的合金，常見的 304 不鏽鋼幾乎不會被磁化，拿磁鐵吸吸看就知道。當鐵心，等於沒有鐵心。
  • 粗螺絲還是細螺絲？ 同一條 100 公分的線，繞在細螺絲上圈數比較多；粗螺絲的鐵心卻比較大。哪一個影響大，要實際吸吸看。
  • 線要怎麼繞？ 任務卡留了一個提示：集中在一端、集中在兩端，還是平均分布？

50 分鐘怎麼進行

設計、採購、組裝
然後爭霸

  1. 01

    3 分鐘

    電磁起重機

    看廢鐵回收場的電磁起重機：通電吸住鐵材，斷電就放下來。

  2. 02

    5 分鐘

    填材料卡

    各組決定要研究哪一題、另外三題選什麼，寫下理由。

    直徑 8 mm 與 6 mm 的螺絲當鐵心
  3. 03

    排隊

    換取材料

    繳回材料卡，到台前換材料。熱門的材料可能換完，先到先得。

  4. 04

    10 分鐘

    組裝與交互測試

    繞線圈、接電池，研究的那一題兩種都試，挑出比較強的一台。

    同一個電磁鐵，換電池盒比比看
  5. 05

    15 分鐘

    起重機爭霸賽

    三人輪流，把迴紋針從 A 桌搬到 B 桌的盤子。每場不超過 1 分鐘，比賽才刺激。

    把迴紋針搬進 B 桌的盤子
  6. 06

    5 分鐘

    學習單與頒獎

    繳回材料、寫學習單、頒獎。最後一名的組別負責清點收拾。

爭霸賽

搬最多的贏

  • 爭霸賽

    三人輪流，把迴紋針從 A 桌搬到 B 桌。

素養模擬題

從回收場的大傢伙出題

手冊的素養題，用資源回收場的電磁吸盤當情境。

  • 構造

    第 1 題

    電磁吸盤長什麼樣子？

    吸盤中心的磁極跟外圈相反，從五張剖面圖裡選出正確的構造。

  • 判斷

    第 2 題

    哪一個做法保證有效？

    串聯改並聯、鐵改成鋁、兩個吸盤接起來、換更粗的線……只有「匝數相同、線更粗」保證電流變大。

  • 推理

    第 2 題

    同樣重量，換粗線呢？

    電阻變小、電流變大，但圈數也變少了。哪一個效應比較強？答案就在活動裡。

  • 估算

    第 3 題

    線徑變成兩倍

    截面積變 4 倍，電阻變 1／4，同樣的電壓下電流變成 4 倍。

評量方式

不只看誰贏

小組學習單的評分，競賽名次只占一成。

  • 核心目標 25%：理解電流的磁效應，並能組合運用。
  • 了解規則 15%：正確理解規則，還能變成獲勝的策略。
  • 人際關係 15%：互動積極正向，沒有攻擊別人的字句。
  • 學習能力 15%：從過程中找出致勝的關鍵，也向對手學習。
  • 表達能力 10%：說出活動的心得，分析優缺點並提出建議。
  • 逆境情商 10%：領先不鬆懈，落後不放棄。
  • 競賽成果 10%：第一名 10%、第二三名 5%。

學生會學到什麼

做完之後會知道

  • 螺線管的磁場方向。用右手定則判斷哪一端是 N 極，電池反接，磁極就對調。
  • 影響磁力的因素。電流、圈數、鐵心的材質與粗細，還有線圈怎麼繞。
  • 電池有內電阻。電壓大不一定電流大，要看整個電路。
  • 在有限資源下做決策。只能研究一題，其他的要靠物理知識判斷。
  • 從測試修正設計。猜錯了，組裝時馬上換。
  • 把物理用在真實情境。電磁起重機在廢鐵回收場每天都在用。

教具的研發

從一根冰棒棍開始

起重機的手臂是一根冰棒棍，前端套上繞好線圈的螺絲，用快速接頭接上電池盒。

  • 原型：冰棒棍當手臂，線圈套在螺絲上

  • 原型的線圈特寫

  • 用游標尺量線圈

  • 秤線圈的重量

  • 繞好的線圈

  • 為全班準備的材料

  • 一組材料裝成一盒

相簿

課堂上

  • 兩種粗細的漆包線，各 100 公分

  • 串聯與並聯的電池盒

  • 「表面上串聯的電壓較大，但內電阻也跟著串聯」

  • 用電磁鐵吸起迴紋針

把起重機爭霸賽帶進課堂

學校或老師想使用這個素養活動，歡迎來信。

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