交流電磁鐵的應用

交流電磁鐵的應用

壹、前言
日前筆者撰寫了有關「交流電磁鐵的迷思」一文，希望可以協助老師與學生澄清有關交
流電的一些迷思概念。其實在現實生活中有關交流電磁鐵的應用不少，最早在1887 年特斯拉
(Nikola Tesla，1856~1943，圖1)就發明了最早的無電刷交流電感應馬達（brushless
alternating current induction motor）， 並開啟了交流電傳輸的新紀元，但這些事情在中
小學的自然課本中卻鮮少提及，讓孩子們失去了一些欣賞科學神奇與科學之美的機會。
在此筆者設計了一些有關交流電磁鐵的簡單應用，希望可以在教學中增加一些學習的樂
趣。
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綠能源教育

綠能源教育

壹、 設計動機
一直以來，每當和朋友介紹自己是理化老師時，大家幾乎都露出一付不可思議的表
情；「你教那麼難的科目喔！我國中的時候理化最爛了。」「你怎麼會教理化？學那些以
後又用不到！」似乎對大部分的人而言，總覺得國中理化(自然與生活科技)是一門枯燥
又艱深的科目，唯恐避之不及，怎麼可能還會喜歡它！但，真的是如此嗎？
在我們生活週遭，無時無刻都會接觸到自然科學；上學要騎腳踏車；聽隨身聽要用
電池；連開個門都要用到物理原理，誰說科學離我們很遠！科學就是我們身旁的一草一
木，就是我們生活中每天要面對的每件事，怎麼說會用不到？怎麼會讓這麼多的孩子對
它失去興趣，望之卻歩。也許，我們可以將原因歸咎於教育的環境、升學的壓力、家庭
的背景、先天的才能……還是根本就是我們一直不敢去面對的原因；「老師把我們的興趣
教到不見了。」
相信每個人都喜歡看魔術表演，原因很簡單；因為它有趣。其實說穿了魔術不就是
「科學」與「手法」的結合，為什麼用魔術來呈現科學大家非但不排斥還趨之若鶩，教
學也應該是如此；尤其是自然科。如果老師能將嚴肅的科學原理稍微包裝之後，呈現出
來的效果會讓老師自己都大吃一驚！筆者一直希望以這樣的方式來教授自然科學，讓科
學回歸實驗的本質；讓孩子重新體會科學的樂趣。
近幾年來國內外教育學者普遍性重視科學實驗的重要性(張惠博，1993)，九年一貫
課程綱要中更進一步強調「主動探索與研究」， 希望可以激發學生好奇心及觀察力，主動
探索和發現問題，並積極運用所學的知能於生活中。教育的目的在幫助學生透過學習達
到更好的生活適應，而學生的學習通常就發生在日常生活之中，學生的邏輯思考和抽象
推理能力隨著年齡增長漸趨成熟，對於外在世界的探索認知，逐漸脫離自我為中心的觀
點，採取「客觀性」的科學方法，進行相關資訊的搜集、分析與解釋。其中若可以讓實
驗教學生活化，藉由這些實驗與活動，培養學生的科學興趣、熟練實驗方法。有鑑於此，
國內諸多教育學者積極研發許多演示實驗教具，如中央大學及東吳大學等，均有不錯的
成果發表，每年更有許多場次的教學研討會針對這樣的演示實驗進行討論。劉朝福(2003)
亦指出演示實驗是保證教學質量的重要環節，重視和研究演示實驗教學，可以提高中學
物理教學水平。
其於以上理由，筆者才會有此一教學設計的概念，希望以演示實驗(Demonstration)
融入教學為主軸的課程設計可以讓國中的學生不再畏懼理化，甚至進一步喜歡理化，並
培養出可以主動研究探索並擁有良好學習態度的學生。
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交流電磁鐵的迷思

交流電磁鐵的迷思

壹、緣起
一般我們的教科書都只是著重在直流電的電磁鐵效應(註一)，卻較少討論交流
電的影響，或許是不容易做實驗的緣故或是安全考量(一般交流電都是家用的 110 伏
特 AC 電源，直接使用是非常危險的，絕對不建議！)，但實際上市面上應用交流電
磁鐵的商品卻是非常多的！甚至在許多學校段考也曾經出現過類似的題目：
1.將電磁鐵放在小磁針的正東方，將電磁鐵通入家用交流電(60Hz)之後，磁針 N 極
如何偏轉？(A)N 極向東編轉 (B)N 極向西偏轉 (C)不偏轉 (D)左右振動
2.承上題，再將此通以交流電的電磁鐵接近小鐵釘，則小鐵釘會如何？(A)被電磁鐵
吸引 (B)被電磁鐵排斥 (C)沒有反應 (D)快速振動
若只出現第 1 題，還不致引起筆者後續研究的興趣，但兩題同時出現，答案就
引起了學校許多老師的討論。
關於第 2 題，筆者就曾問過學生答題的原因，以下是學生曾出現過的答案。
1. 沒有反應(不會吸引也不會排斥)。
原因一：因為磁場雖然還是存在但被抵銷了。
原因二：因為沒有磁場了。
原因三：……
2. 會被吸引。
原因一：磁場還是存在，所以會吸引小鐵釘。
原因二：磁場一直互換，所以吸一下就會放開。
原因三：……
有很多學生回答的原因如下，『因為交流電產生的 N 極與 S 極的磁場相互「抵
銷」，所以無法吸引小鐵釘。』這普遍出現在學生知道參考書答案之後的回答。但
事實真的是如此嗎？
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逆電流不逆

逆電流不逆

壹、前言
這幾年來從高爾的「不願面對的真相」，盧貝松的「搶救地球」到國內陳文茜、孫大偉監
製的「±2℃」紀錄片，讓許多人開始從漠視地球環境，到關心地球，到有實際行動，「 節能減
碳」幾乎已經成了全民運動。其中有關交通運輸工具的發展，也在這一波綠能漩渦中更受重
視，原本只會在車展中出現的非汽油燃料的概念車，也真的在現實生活中量產上市，日本豐
田汽車(Toyota)在1997 年首部油電混合車_PRIUS 上市以來，就給全球車市投下了一顆超級震
撼彈！甚至根據日本2009 年 5 月份最新汽車銷售數據，不但油電混合車已躍居汽車銷售榜
首，而且在前三名中就佔了兩名，這股節能風潮也因此延燒到高級車市場，如賓士(Benz)、
凌志(Lexus)等車廠也都紛紛推出油電車，看來這股節能風潮會再熱銷好一陣子！
不可否認的，目前油電混合車的售價依然偏高，的確會直接影響了普及率，因此一般汽
油車又該怎麼才能讓每滴油發揮出最高的效能？似乎成了開車族更關心的話題。當然除了良
好的開車習慣之外，定期的保養更是不可馬虎，也因為這樣的節能需求，許多廠商紛紛開發
出各式各樣號稱可以省油的商品，如省油精、省油加速器、或可以將管內之燃油粒子細分化，
達到完全燃燒的產品、渦旋加速進氣產品等實在琳瑯滿目，讓人分不清楚真假。其中還有一
項這幾年來也是非常熱銷的商品_「逆電流」，聽說是日本網友的作品，原本稱為「逆電流制
御」，沒想到竟會紅到全世界。只是「逆電流」，這個名詞聽在一個科學老師耳裡著實刺耳，
但也值得讓我們當作電學教材，來好好檢視應用一番。
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電流熱效應的迷思

電流熱效應的迷思

壹、前言
在國中的自然與生活科技學習領域中，「電」的原理與應用占了極大的篇幅。
當然，從重要性與科學史的角度來看，都不難理解這個偉大的發現，是如何影響著
我們人類文明的發展(註一)，但若真的要仔細分析其中的生活運用，我們卻極少是
直接使用「電」這種型式的能量，而是透過適當的裝置將電能轉變成其它我們可以
方便使用的能量型式(註二)。例如透過電扇(電動機)將電能轉變成動能(註二)，透過
電燈轉變成光能，透過電鍋轉變成熱能等等，有太多太多的發明可以將電能輕易轉
變成我們需要使用的能量，這也是「電」可 以變成人類文明的推手的重要原因之一。
從基礎科學的角度而言，國中所提到電的能量轉換，主要有以下三種：電流的
化學效應、電流的磁效應與電流的熱效應。本篇文章主要放在熱效應的介紹與教學
應用。
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鏡像的迷思

鏡像的迷思

一、迷思
「照鏡子」，這件事情幾乎在我們身邊每天不斷的重覆發生，若我們問一下周圍的親朋好
友這件「再平常不過的事」；『鏡子裡面的人是否和你一模一樣？』，相信絕大多數人的回答都
是如此「當然不一樣！我臉上的痣在左邊；鏡子裡面的人痣在右邊，我們兩個左右相反，所
以不一樣。」
這幾乎已經成了我們所認知的平面鏡成像性質的標準答案；「鏡子裡面的像和我們左右相
反」，包含幾乎所有的教科書都是這樣形容(南一版、康軒版、翰林版，光學單元)。但，這樣
的敘述真的適當嗎？
二、明確的條件
科學現象的敘述和一般口語與或文學有一個最大的不同點，那就是條件的說明必須明確
且統一。大家先看圖1 的照片，你會形容這是左右相反嗎？
當然，很多人也許會覺得這是故意找碴，但卻是科學敘述當中一個很重要的概念，當我
們敘述一個平面鏡的鏡像性質的時候，必需先確認物體與平面鏡之間的相對位置關係，一般
在沒有特別強調的情況之下，通常都是指物體(人)和鏡子為平行的關係，而非圖1 是垂直的
關係。先確認了這個條件，我們才能繼續討論下去。
以下的所稱呼的「鏡像」，就都是以物體(人)和鏡子平行所產生的虛像來討論。
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窮人家的光電計時器

窮人家的光電計時器

一、前言
在運動學的實驗中，時間的測定是非常重要的一個成功關鍵，尤其在實驗室中，通常運
動物體的距離都不是很長；換句話說，時間也都很短。一般碼表的的最小單位為0.01 秒，其
實在中小學的實驗標準來說，確實已經夠用了，只是控制碼表的還是我們自己，一般人視覺
的反應時間約0.2~0.3 秒(註1)。以自由落體的實驗來說，若實驗落下的距離為2 公尺，時間
約為0.64 秒(忽略空氣阻力的影響)，若加上反應時間，測定出來約在0.8~1 秒左右，這種誤
差大到已經完全沒有利用的價值了！
最簡單的方法當然就是排除人為的因素，一般實驗室都會利用光電計時器，準確值可到
0.001 秒以內(部分機種甚至可到0.01 毫秒)，一組的市價最少都在萬元以上，大概沒幾所國中
買得起，但最近因為數位相機的興起，已經在市面上出現廉價的高速攝影機(如CASIO 或
FUJIFILM 等)，最高速度可達1000 幅/秒(fps)，也就是1/1000 秒的誤差，雖然畫質不高，在
分析運動狀態上還是遭遇不少困難，但卻提供了老師另一種實驗上的選擇。是否可以有另外
一種便宜又簡單的計時方式可供選擇呢？
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