还是书快

还是书快 物理實驗趣味短片 問題與 01紙快,還 是書快,Which falls faster, book or paper? 3 02靜摩擦Static friction ................................................................................................................. 4 03滑動摩擦力Sliding friction ....................................................................................................... 5 04插插下得米Rice rise!................................................................................................................ 7 05猴子上樹Climbing monkey ...................................................................................................... 8 06游水鴨Swimming duck ............................................................................................................. 9 07動者恒動Movers keep on moving. .......................................................................................... 10 08靜者恒靜Non-moving objects stay at rest. .............................................................................. 11 09氣凾斷筷Breaking chopstick by Chi’ Kung ............................................................................. 12 10氣凾劈筷Breaking chopstick by Chi’ Kung ............................................................................. 13 11升降機內視重的改變Apparent weight change in lift .............................................................. 14 12牛頓運動第三定律Newton’s third law ................................................................................... 15 13一觸即爆Triggered explosion ................................................................................................. 16 14猴子與獵人實驗Monkey and hunter experiment .................................................................... 17 15圓周運動Circular motion ........................................................................................................ 18 16鋁環鐘擺Barton’s pendulum ................................................................................................... 19 17蠟燭搖搖東Candle seesaw ...................................................................................................... 20 18誰轉得快些,Which rotates faster? ......................................................................................... 21 19煮光管、煮燈泡Cooking light tube; Cooking light bulb ......................................................... 22 20水晶泥Crystal soil .................................................................................................................. 23 21魚洗Water basin ...................................................................................................................... 24 22超聲波噴霧器Ultrasonic fog generator ................................................................................... 25 23多普勒效應Doppler effect ...................................................................................................... 26 24人手電池Human electric cell .................................................................................................. 27 25靜電的吸力和扗力Electrostatic force ..................................................................................... 28 26穿梭帶電球Shuttling ball........................................................................................................ 29 27步行生電法Generating electricity by walking ......................................................................... 30 28磁化與消磁Magnetisation and demagnetisation ...................................................................... 31 29磁浮子Levitron ....................................................................................................................... 32 30電鈴Electric bell ..................................................................................................................... 33 1 物理實驗趣味短片 問題與答案 31電場的顯示Electric field pattern ............................................................................................. 34 32電風Electric wind ................................................................................................................... 35 33測定等勢線Plotting equipotential lines ................................................................................... 36 34火焰探測器Flame probe ......................................................................................................... 37 35高壓放電球Gas discharge at high voltage ............................................................................... 38 36電容器儲藏的能量Energy in a capacitor ................................................................................ 39 37磁場的顯示Magnetic field pattern .......................................................................................... 40 38載電流體在磁場中受的磁力Magnetic force on a current-carrying conductor ........................ 41 39電流之間的磁力Magnetic force between currents .................................................................. 42 40簡易摩打Easy motor ............................................................................................................... 44 41渦電流擺Eddy current pendulum ............................................................................................ 46 42磁隧道Magnetic tunnel ........................................................................................................... 47 43跳環實驗The jumping ring experiment ................................................................................... 48 44鋁環內的渦電流Eddy current ring.......................................................................................... 50 45感應摩打Induction motor ....................................................................................................... 51 46渦電流的磁浮現象Eddy current levitation ............................................................................. 52 47一對偶合質量,彈簧振子A pair of coupled mass-spring oscillators ...................................... 53 48壓電效應Piezoelectric effect ................................................................................................... 54 49沙漏浮沉子Sandglass Cartesian diver ..................................................................................... 55 50雲的形成Formation of cloud................................................................................................... 56 51 , 輻射在磁場中的偏轉Deflection of beta rays by a magnetic field ....................................... 58 52隨機衰變Random decay ......................................................................................................... 59 53木塞靠邊站,Cork on the water .............................................................................................. 61 2 物理實驗趣味短片 問題與答案 01紙快,還是書快,Which falls faster, book or paper? 問題: 1. 試舉出一個可能因素,解釋為何把紙張放書頂,放手後兩者同時著地。 答案: 1. 由於書本承受了大部份的空氣阻力,所以紙張和書以相同速度下墜。 老師參考資料: 此實驗亦涉及伯努利原理。書本頂部的空氣和書本並沒有相對運動,因此存在一高壓區,使紙張緊貼書面。 3 物理實驗趣味短片 問題與答案 02靜摩擦Static friction 問題: 1. 每本書各有 200 頁,重 10 N。又兩頁之間的極限摩擦係數 , 為0.2。估計分開兩本書 所需的拉力。 答案: 1. 把書平放桌面。設書為剛體,最底一頁所受的正壓力約為 R = 每本書的一半重量 × 2 = 5 N × 2 = 10 N R = 10 N 5 N 10 N 5 N 10 N 設右邊的書最低一頁接觸桌面,則左邊的書最低一頁所受的極限摩擦力為 ,R ,R 2 ,R = 2 × 0.2 × 10 N = 4 N 由於最頂一頁所受的正壓力是 0 N。平均每頁受到的摩擦力為 0N，4N ,2N2 ?要拉開兩書大約需要的拉力為 200 × 2 N = 400 N 4 物理實驗趣味短片 問題與答案 03滑動摩擦力Sliding friction 問題: 1. 以 R 為 y 軸,f 為 x 軸。繪一 R 和 f 的關係線圖。 2. 由題一答案找出 R 和 f 的關係:摩擦定律:,及木塊和桌面之間的摩擦係數。 3. 以一水平外力 F 拉一塊平放於桌面的木塊:圖一:,開始時木塊不動。緩慢地增函 F 直 至木塊開始移動,此時調節外力使木塊以勻速在桌面移動。問 (i) 在木塊不動時,摩擦力 f 與外力 F 有何關係, (ii) 當木塊以勻速移動時,摩擦力 f 與外力 F 有何關係, (iii) 試繪一略圖顯示當外力 F (x 軸) 增大時,摩擦力 f (y 軸) 與 F 的關係。在圖的 y 軸標出極限靜摩擦和滑動摩擦力的位置。 Ff F F 圖一 F 答案: 1. f / N 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 R / N 0.0 2. 實驗結果顯示,線圖為一通過原點的直線。即 f 和 R 成正比。由定義 f = ,R ？摩擦係數 , 就是線圖的斜率 , = 0.2 5 物理實驗趣味短片 問題與答案 3. (i) f = F (ii) f = F (iii) 見下線圖 f 極限靜摩擦 滑動摩擦 F 0 老師參考資料: 如果外力F不斷函大並最終使木塊以等函速度移動,摩擦力維持不變 f =R,線圖變為 f 極限靜摩擦 f =滑動摩擦 R F 0 6 物理實驗趣味短片 問題與答案 04插插下得米Rice rise! 問題: 1. 把螺絲刀插入米樽後扭兩扭會使 I. 米粒與米粒間的空位減少 II. 各米粒可移動的空位減少 III. 有些米粒被切碎 A. 只有 I 和 II B. 只有 I 和 III C. 只有 II 和 III D. I、II 和 III 2. 有甚麼力使螺絲刀插入米粒後不能再移位,:摩擦力和正壓力是接觸力兩個互相垂直的 分量。: I. 米粒與米粒間的摩擦力 (frictional force) II. 米粒與米粒間的正壓力 (normal force) III. 螺絲刀的重量 A. 只有 I 和 II B. 只有 I 和 III C. 只有 II 和 III D. I、II 和 III 3. 是甚麼力直接使螺絲刀提起而不鬆脫, 答案: 1. D 2. A 3. 米粒和螺絲刀之間的摩擦力 7 物理實驗趣味短片 問題與答案 05猴子上樹Climbing monkey 問題: 1. 猴子是靠甚麼力沿繩爬上去的, 答案: 1. 是繩子和膞孔的摩擦力帶動猴子沿繩子向上爬。 老師參考資料: 猴子是由一塊厚膞東做成的,東中有兩條小管,呈八字形:圖一:。繩子上端穿過一個金屬環,下端穿過膞東的小管,兩手在管下握著繩子的末端:圖二:。當右手把繩子拉下,左手放鬆,左邊的繩子就被抽上。此時右手拿著的繩子幾乎是直的,左手拿著的繩子是屈折的:圖三:。繩子和右管的摩擦力較少,和左管的摩擦力較大。猴子就隨著左邊的繩子上移,由遠處看就好像向上「爬」一樣。 金屬環 繩子 抽上 右孔 左孔 拉下 膞東 圖二:繩子上端穿過金屬環,圖一:猴子的結構 圖三: 兩手握著繩的下端 右手拉下,這邊的繩子是直的; 左手放鬆,左邊的繩子是曲的。 8 物理實驗趣味短片 問題與答案 06游水鴨Swimming duck 問題: 1. 為何鴨仔只會向前游呢, 2. 魚類的鱗片都是「前鱗疊後鱗」的,這種排列方式對魚的活動有何好處, 答案: 1. 看一看鴨仔的底部,我們發現有由刷子做的「鴨腳」,刷毛是稍微向後傾斜的。開啟電源, 可見水盤不斷振動,由於刷毛並非垂直,盤底和刷毛之間的滑動摩擦前後不同。向前的 摩擦力比向後的小。因此,鴨仔只會向前游。 2. 魚向前游動時,「前鱗疊後鱗」可減低魚身和水之間的摩擦力。 9 物理實驗趣味短片 問題與答案 07動者恒動Movers keep on moving. 問題: 1. 詳述牛頓第一定律。並以此解釋小車突然停下時茄汁噴出的現象。 2. 指出牛頓第一定律在我們日常生活中一個應用實例。 3. 為什麼笨豬跳的鋼纜要具有彈性, 答案: 1. 牛頓第一定律:如無淨力 (net force or unbalanced force) 作用於物體上,物體將會保持原 本的運動狀態。即是原來靜止的維持靜止,原本運動的將保持以勻速作直線運動。 在本實驗中,茄汁原本隨著小車一起前進,當小車和茄汁樽突然受阻停下,由於茄汁和 玻璃樽之間的摩擦力很小,根據牛頓第一定律,茄汁會維持原來的運動狀態向前噴出。 2. 當我們乘車時,應記緊扣好安全帶。若果發生撞車意外,安全帶可保護司機和乘客,免 得他們衝前和擋風玻璃或駕駛盤等硬物相撞,引致傷亡。 3. 具有彈性的鋼纜能延長玩者:即笨豬:由極速:鋼纜開始拉緊:減至零速:鋼纜延至最 長:的時間。因而減少鋼纜施函在玩者的拉力。使玩者的骨骼不會因此被拉斷或拉傷。 10 物理實驗趣味短片 問題與答案 08靜者恒靜Non-moving objects stay at rest. 問題: 1. 是什麼物理定律使水樽沒有被拉倒, 2. 舉出能保證實驗成凾的兩個必要條件。 3. 如果演者從外邊一掌把膞框拍走,箱頭筆跌入樽中的機會如何, 4. 當車仔突然被後來的汽車猛烈地碰撞時,氣球會怎樣,為什麼, 5. 房車的頭墊 (headrest) 在撞車意外發生時有何作用, 答案: 1. 慣性定律,亦即牛頓第一定律。 2. 要實驗成凾,必須 (i) 眼明手快。當然最重要的還需找一條 (ii) 順滑的檯布,使水樽和 檯布之間的摩擦力減至最少。 3. 箱頭筆跌入膞樽的機會大減。因為推拍膞框時,膞框會把箱頭筆彈高。靜者恒靜的定律 不再適用。 4. 當汽車突然被後來的汽車猛烈地碰撞時,氣球向後移,這是因為它具有保持靜止的慣性。 5. 頭墊是用來保護頸椎的。當車子被後面另一車碰撞,被撞的車會突然衝前。根據牛頓第 一定律,如果沒有頭墊,乘客或司機的頭部:相對於座椅和身軀:會向後傾。嚴重的話 會令頸骨折斷。 11 物理實驗趣味短片 問題與答案 09氣凾斷筷Breaking chopstick by Chi’ Kung 問題: 1. 填充題 氣凾斷筷示範必須力度,,速度,和眼界,。 2. 當報紙緊貼筷子時,利用硬物敲擊筷子。為什麼報紙幾乎不動,而筷子則應聲折斷, 3. 為什麼只需將筷子輕輕壓下,報紙便輕易地被抬起來, 答案: 1. 氣凾斷筷示範必須力度:夠:,速度:快:和眼界:準:。:所有合理而通順的答案皆可接 受。: 2. 若在一瞬間敲擊筷子,空氣無法立刻進入報紙和筷子的間隙中,大氣仍然把報紙連同筷 子緊壓在桌面上,筷子突出桌外的部分就會折斷。 3. 擊筷時,若報紙和筷子之間有足夠大的間隙讓空氣進入,大氣再不是單邊作用於報紙上, 筷子就會把報紙托起而非被折斷。 12 物理實驗趣味短片 問題與答案 10氣凾劈筷Breaking chopstick by Chi’ Kung 問題: 1. 舉出氣凾師傅「劈筷子凾夫」成凾的三個要訣。 2. 由錄像可見,筷子被劈開兩載,但由玻璃器皿搭成的脆弱支架卻沒有翻倒。原因為何, 答案: 1. 速度快,力度夠,眼界準。 2. 要筷子斷開只需「力度夠」。如果劈筷時「速度快」和「眼界準」,就不會有水平力作用 在支架上,支架不論如何複雜也不會被打翻。 13 物理實驗趣味短片 問題與答案 11升降機內視重的改變Apparent weight change in lift 問題: 1. 升降機由 -2 層開始上升時,天秤的讀數有何改變,試利用牛頓運動第二定律解釋此現 象。 2. 升降機即將到達 4 樓時,天秤的讀數有何改變,試利用牛頓運動第二定律解釋此現象。 答案: 1. 天秤的讀數增函,原因如下: 由牛頓運動第二定律, 砝碼受的淨力 R – mg = ma … (1) 因此承托力必須大於砝碼的淨重,即 R > mg,才能使砝碼向上函速。 R R mg mg 升降機向上函速時天秤的讀數 升降機向上減速時天秤的讀數 2. 天秤的讀數減少。因為天秤作用於砝碼的承托力 R 必須少於砝碼的淨重 mg,才能使它 到達第4層前向上減速〔(1)式中的 a 為負數〕。 14 物理實驗趣味短片 問題與答案 12牛頓運動第三定律Newton’s third law 問題: 1. 是甚麼物理定律使扇葉旋轉和氣球直升機升起, 2. 試用牛頓第三定律解釋為何車仔向前衝, 3. 下列哪些交通工具是利用牛頓第三定律推進的, A. 風帆 B. 纜車 C. 升降機 D. 滑翔機 E. 噴射機 答案: 1. 牛頓運動第三定律。 老師參考資料: 氣球裡的空氣經由扇葉內的氣道噴出。噴出氣流的反作用力 (reaction) 使扇葉轉動。扇 葉是稍微傾斜的,轉動時好像風扇一樣把空氣吹出,形成另一股向下的氣流,其反作力 使直升機上升。 2. 胃片和水產生化學作用,釋出大量二氧化碳 (carbon dioxide),使金屬筒內的氣壓不斷上 升,最後把膞塞彈開。根據牛頓運動第三定律,彈射物:凿括瓶塞、瓶內的水和空氣: 會有一個反作用力施於車子,使它向前衝。 3. E 15 物理實驗趣味短片 問題與答案 13一觸即爆Triggered explosion 問題: 1. 為什麼被較輕車仔撞擊的汽水罐損毀較嚴重, 答案: 1. 根據動量守恒定律, mv = mv 1122 爆發後,較輕的車仔會有較大的速度和動能。 22m> m , v < v 及 ?(mv) < ?(mv) 1 2121122 由於較輕的車仔以較高速度撞向汽水罐,並在撞碰後把全部動能釋放出來。所以被撞的 汽水罐損毀較嚴重。 16 物理實驗趣味短片 問題與答案 14猴子與獵人實驗Monkey and hunter experiment 問題: 1. 試舉出另一實驗函附圖,驗證拋射體的垂直運動和水平運動是互相獨立的。 2. 在猴子與獵人實驗中,下列那些變數是猴子和獵人在任何時刻都相同的, I. 高度 II. 水平速度 III. 垂直速度 A. I 和 II B. I 和 III C. II 和 III D. I、II 和 III 答案: 1. 滑車及垂直彈子實驗:裝置見下圖::滑車在平面上作勻速運動時利用彈射器垂直射出彈 子。由於彈子運動的水平分量和滑車相同,最後會跌回彈射器的位置。 Ball彈子: horizontal + vertical motion Spring loaded plunger彈射器 Cart小車: uniform horizontal motion 2. B 17 物理實驗趣味短片 問題與答案 15圓周運動Circular motion 問題: 1. 試畫出圖中波子的自由體圖。 , 2. 為何距離轉軸 r 較遠的波子傾角 較大, 答案: 1. 張力T , 重力W 2. 根據圓周運動公式 2F = T sin , = mr, … (1) 可知距離轉軸愈遠:r越大:,所需的向心力F越大。 又由垂直分量的平衡條件 Fy = 0 T cos , = mg … (2) 比較 (1) 和 (2), 2向心力 F = T sin , = mg tan , = mr, 2g tan , = r, tan , r ？ r ? tan , ? , ? 波子距離轉軸愈遠,傾角愈大。這樣繩子才能提供足夠的向心力 以維持波子的圓周運動。 18 物理實驗趣味短片 問題與答案 16鋁環鐘擺Barton’s pendulum 問題: 1. 試利用片中鐘擺振幅的改變來解釋共振現象。 2. 為甚麼要在鋁環上套上一隻紙杯, 3. (i) 當最長的擺出現共振時,較短的擺和直尺的相位差為何, (ii) 當中間的擺出現共振時,最短和最長的擺的相位差為何, 答案: 1. 不同長度的擺有不同的自然頻率 (natural frequency)。受直尺振動影響,自然振動衰減 後,每個擺最終都會以直尺振動的頻率:驅策頻率driving frequency:來擺動。若驅策頻 率與擺的自然頻率相同,擺的振幅會變得很大,我們稱之為共振。 2. 我們藉紙杯的阻尼來函快單擺自然振蕩的衰減速度。使單擺在短時間內即可追隨直尺的 頻率擺動。 3. (i) 當最長的擺出現共振時,較短的擺和直尺幾乎沒有相位差。 (ii) 當中間的擺出現共振時,最短和最長的擺有 180: 相位差。 19 物理實驗趣味短片 問題與答案 17蠟燭搖搖東Candle seesaw 問題: 1. 為何兩邊燃著的蠟燭會往返搖動, 答案: 1. 最初蠟燭的支點很接近重心。較重的一邊:設為左方:會在較低的位置燭頭朝下。把蠟 燭燃著後,朝下的蠟燭燃燒較旺盛,質量減少的速度比朝上的一邊快,原來的平衡狀態 便會逆轉,變為右邊較重。根據同樣原理,蠟燭會像蹺蹺東一般地往返搖動。 20 物理實驗趣味短片 問題與答案 18誰轉得快些,Which rotates faster? 問題: 1. 為何轉子下降相同距離後,長轉子的轉速較短轉子慢, 答案: 1. 根據能量守恒定律,物件從高度墜下,它的位能會轉化為動能。相同質量的兩個物體, 下降一定距離後會具有相同的動能。假設摩擦損耗可略去不計,又兩條鐵線鉛垂運動的 動能遠低於轉動的動能,可得 2mgh , ?I, 由於長鐵線有較大的轉動慣量 I,所以它的轉速 , 較小。 21 物理實驗趣味短片 問題與答案 19煮光管、煮燈泡Cooking light tube; Cooking light bulb 問題: 1. 試寫出這個實驗的能量轉換過程。 2. 實驗時放一杯清水在微波爐內有何作用, 答案: 1. 電能 ? 電磁輻射:微波:? 光能 , 熱能 2. 水可以吸收剩餘的微波。如果沒有水,微波會被金屬吸收並產生高熱。這樣會損壞微波 爐的電路和屏障。漏出的微波會把實驗哥哥煮熟。 老師參考資料: 警告:光管末端的金屬部份經微波烹煮後溫度可能很高,實驗完畢切勿立刻用手觸摸。 22 物理實驗趣味短片 問題與答案 20水晶泥Crystal soil 問題: 1. 要在水中隱形,必須符合四個條件,就是,,:透明,不透明:、,,:有色,無色:、 ,,:不溶,可溶:於水及具有和水,,:相同,不同:的,,率。 答案: 1. 要在水中隱形,必須符合四個條件,就是:透明:、:無色:、:不溶:於水及具有和水:相 同:的:折射:率。 老師參考資料: 自然界是否存在一些近乎隱形的動物, 有。有些水母是全透明的,要很小心才看得見。有一種魚叫白肌銀魚 (leucosoma chinensis),俗稱白飯魚。生於南中國河口區,在淡水湖有發現。這種魚活著時幾乎是全身透明的,但死後變白色。 23 物理實驗趣味短片 問題與答案 21魚洗Water basin 問題: 1. 這個實驗顯示聲音是怎樣產生的, 2. 是非題 (i) 聲音和水花都是由金屬盆振動產生的。 (ii) 魚洗盆的水位愈低,聲音愈低沉。 答案: 1. 聲音是由振動產生的。 2. (i) 是 (ii) 非 老師參考資料: 「魚洗」又稱「龍洗」,是一個倣古青銅盆,盆頂左右兩邊各有一把手,內壁有魚或龍的浮雕, 故名。 24 物理實驗趣味短片 問題與答案 22超聲波噴霧器Ultrasonic fog generator 問題: 1. 試舉出超聲波的另一種用途。 答案: 1. 為胎兒及體內組織做像、測量眼壓、擊碎膽石、泊車防撞警報系統 (parking sensor)。聲 納可探測魚群位置及海底地形。 老師參考資料: (i) 噴霧器是應用壓電效應 (piezoelectric effect) 的電器,原理是把數個兆赫 (MHz),凾率約 為 24 瓦 (watt) 的交流電壓輸入壓電晶片。後者就會以相同頻率振動。振動的力很大, 能把水打碎成霧一般的水花噴出。 (ii) 清洗手錶時,應把要清洗的部份放在噴霧器頂部。 (iii) 船隻和潛艇用的聲納,基本原理和這個噴霧器很相近,但凾率大很多。這些聲納可能擾 亂海洋生物本身的聲納系統,振到牠們癡線。聲納對海洋生態有多大影響尚在研究中。 25 物理實驗趣味短片 問題與答案 23多普勒效應Doppler effect 問題: 1. 試舉出一個顯示多普勒效應的日常生活例子。 答案: 1. 正在响號的救護車駛近時,我們聽到警號聲較尖銳;當它離開時,我們聽到警號聲較低 沉。 老師參考資料: 老師可重播蜂鳴器繞圈片段,讓同學試一試單憑聽覺判別蜂鳴器在何時開始繞圈。方法如下: 叫同學在蜂鳴器開始發聲時舉手並閉合眼睛。聽到多普勒效應時放低手,張開眼睛,看看聽覺的判斷是否正確。 26 物理實驗趣味短片 問題與答案 24人手電池Human electric cell 問題: 1. 試寫出實驗的能量轉換。 2. 人手電池的電極和電解質分別是些甚麼物料, 答案: 1. 化學能 ? 電能 2. 電極就是銅片和鐵片,電解質是手汗,主要是氯化鈉溶液。 27 物理實驗趣味短片 問題與答案 25靜電的吸力和扗力Electrostatic force 問題: 1. 試解釋實驗一至實驗六的結果。 答案: 1. 實驗一:兩條靜電膞帶被絨布摩擦後一同帶負電,它們便互相排扗。 實驗二:兩根聚乙稀棒被絨布摩擦後一同帶負電。由於同極相扗,轉架上的膞棒因受扗 力驅趕而轉走。 實驗三:聚乙稀棒被絨布摩擦後帶負電,有機玻璃棒被絨布摩擦後則帶正電。由於異極 相吸,轉架上的膞棒被吸力牽引而轉近。 實驗四:水分子是極性分子 (polar molecule),每個分子都是一個很小的偶極子 (dipole)。 偶極子的方向原是隨機的,但在電場內會沿電場的方向排列:如圖示:。氣球被摩擦後帶 負電,把氣球放近水柱,水分子會被氣球產生的電場吸引。使水柱向氣球一方偏轉。又 如果水中含有離子雜質,水柱裏的負離子會被排扗,留下正離子靠近氣球,水柱亦會因 此被吸引。 – + 實驗五:膞東被絨布摩擦後帶負電。汽水罐裏的自由電子被排扗,留下正電靠近膞東, 汽水罐因而被吸引。 實驗六:設膞東被絨布摩擦後帶負電。把鐵蓋放膞東上,鐵蓋內的自由電子受排扗移向 上,使鐵蓋頂部帶負電底部帶正電。以手指觸一下鐵蓋,鐵蓋內的自由電子流入人體, 使鐵蓋淨帶正電。拿起鐵蓋,離開膞東後鐵蓋仍帶正電。當氖膽接觸鐵蓋,氖原子被電 離,氖膽放電亮著。 28 物理實驗趣味短片 問題與答案 26穿梭帶電球Shuttling ball 問題: 1. 為甚麼小球會在兩塊帶電鋁東之間不停穿梭,又電流錶的讀數是如何產生的, 2. 繪一線圖,顯示小球數目和電流的關係。為何球數愈多,電流愈大, 3. 由線圖找出沒有小球時的電流錶讀數。 4. 解釋為何沒有小球在兩塊鋁東之間穿梭時電流會出現非零讀數。 答案: 1. 設小球最初不帶電,但比較接近帶負電的甲東。由於靜電感應,小球表面的左方會帶小 量正電而右方則帶相等的負電。此時小球會被甲東吸引並移向左方。當小球觸碰到甲東, 其表面就會改帶負電。之後小球會被甲東排扗和被乙東吸引而移向帶正電的乙東。當小 球觸碰到乙東,其表面的自由電子便會移到乙東。而整個球亦會改帶正電。再後小球因 被乙東排扗和被甲東吸引而移回甲東。此過程會不斷重覆。小球在兩塊鋁東之間穿梭就 會把負電荷不斷由甲東移到乙東,形成電流。 2. 小球每穿梭一次就會把一定份量的電荷由甲東移到乙東。由定義,電流就是每秒由甲東 移至乙東的電荷量。所以電流隨小球數目增多而增函。 電流 /,A 6 5 4 3 2 1 小球數目 0 1 2 3 3. 沒有小球穿梭時的電流錶的讀數為 3.5 ,A。 4. 當日天氣潮濕,承托鋁東的發泡膞東受濕氣影響變得輕微導電。 29 物理實驗趣味短片 問題與答案 27步行生電法Generating electricity by walking 問題: 1. 試解釋實驗的結果。:當靜電計旋鈕在「電荷」一檔時,檢流計量度的是圓鍋帶的電荷。 -8校正後,檢流計讀數是 1 mA 時,圓鍋帶的電荷是 10 C:庫倫:。: 答案: 1. 每當實驗哥哥用鞋底擦地毯,鞋底因摩擦而帶正電,實驗哥哥身體和被按著的圓鍋也會 正電荷。因此連接靜電計 (electrometer) 的檢流計向右偏轉。由於做實驗當天的濕度很 高,摩擦後所得的電荷很快便消散到週圍環境中,所以檢流計的讀數在摩擦後迅速下降。 30 物理實驗趣味短片 問題與答案 28磁化與消磁Magnetisation and demagnetisation 問題: 1. 試舉出另外一種磁化的方法。 2. 試舉出另外兩種消磁的方法。 答案: 1. 將鐵針放螺線管內,螺線管接直流電源。開啟電源片刻,即可使鐵針磁化。 2. (a) 用鎚子猛烈敲打和地磁正交的鐵針。 (b) 將鐵針放螺線管內,螺線管接交流電源。開啟電源,慢慢把電流調降至零。即可使 鐵針消磁。 31 物理實驗趣味短片 問題與答案 29磁浮子Levitron 問題: 1. 下列哪一件物體利用急速旋轉來保持平衡, I. 腳踏車 II. 直升機 III. 陀螺 A. I 和 II B. I 和 III C. II 和 III D. I、II 和 III 2. 下列哪一個力使磁浮子越轉越慢, A. 磁扗力 B. 磁吸力 C. 地心吸力 D. 空氣阻力 3. 有甚麼方法可以使磁浮子不停地轉動數天, 答案: 1. B 2. D 3. 把轉動中的磁浮子放入一個大瓶子內,把瓶內空氣抽出。磁浮子就可在真空中轉動數天。 32 物理實驗趣味短片 問題與答案 30電鈴Electric bell 問題: 1. 填充題 用以下詞語填在空格內:電流:用兩次: 錘子 磁力 軟鐵蕊 接觸螺絲 開啟電源,??通過線圈。???被磁化,吸引彈簧片,並帶動相連的??敲打鈴碗, 發出「叮」一聲。與此同時,彈簧片離開????,仍成斷路。電磁鐵因為沒有電流通 過而失去??。彈簧片反彈回原位,重新接觸螺絲。??再次被接通過。如此,整個過 程會不斷重覆,使電鈴發出一連串的「叮叮聲」。 2. 是非題 現時的電鐘可用蜂鳴器 (buzzer) 或揚聲器 (loudspeaker) 來代替電磁鐵和錘子來發聲。 答案: 1. 開啟電源,〔電流〕通過線圈。〔軟鐵蕊〕被磁化,吸引彈簧片,並帶動相連的〔錘子〕 敲打鈴碗,發出「叮」一聲。與此同時,彈簧片離開〔接觸螺絲〕,仍成斷路。電磁鐵因 為沒有電流通過而失去〔磁力〕。彈簧片反彈回原位,重新接觸螺絲。〔電流〕再次被接 通過。如此,整個過程會不斷重覆,使電鈴發出一連串的「叮叮聲」。 2. 是 33 物理實驗趣味短片 問題與答案 31電場的顯示Electric field pattern 問題: 1. 解釋為什麼蓖麻油和草種必須是電絕緣體。 答案: 1. 如果蓖麻油或草種能夠導電,它們會將超高壓電源短路,實驗者不單只見不到電場圖案, 還會損壞超高壓電源和引發溜電意外。 老師參考資料: 蓖麻油可用四氯化碳稀釋。此溶液的密度高,草種或紙通粉可長時間浮於液面。排列出電場圖案。如用密度較低的液體如石蠟油,固體較快沉下。沉底的粉粒受液體的黏度影響,有時不能沿電場方向排好。 34 物理實驗趣味短片 問題與答案 32電風Electric wind 問題: 1. 開啟超高壓電源,為何蠟燭的火焰似被針尖噴出的電風吹走, 2. 啓動范德格拉夫起電機,為何放在圓球頂部的風車會旋轉起來, 答案: 1. 不失其普遍性,可設超高壓電源的正極接金屬針。開啟電源後,金屬針內部及表面帶 +5000 V電壓。由於電場 E 和導體表面的曲率半徑 r 成反比,即是 E V/r。針尖的 曲率很大,所以針尖附近的電場很強。足以使空氣粒子電離 (ionize),電離後的電子和負 離子被吸引到正極,正離子被針端排扗。正離子的移動產生一陣風,令蠟燭的火焰吹離 針端。 2. 設起電機的圓球帶正電。由題1論據:在此從略:,針尖附近的電場很強。空氣粒子被電 離 (ionize),電離後的電子和負離子會被針端吸引並撞向針尖,正離子則被針端排扗。由 牛頓第三定律,針端:風車:亦因受到正離子扗力的作用而旋轉起來。 35 物理實驗趣味短片 問題與答案 33測定等勢線Plotting equipotential lines 問題: 1. 試畫出兩塊平行金屬東之間的等勢線,相鄰兩線電勢差為 1.0 V,略去邊緣效應。 6 V 答案: 1. 6 V 6 5 4 3 2 1 0V 老師參考資料: 現時的液晶顯示東的鍍膜已全部採用 Indium Tin Oxide (ITO) 氧化銦鍚,取代 Iridium oxide 氧化銥。前者的透明度較高,導電性能亦較佳。液晶顯示東就是實驗中用來畫等勢線的導電玻璃東。 36 物理實驗趣味短片 問題與答案 34火焰探測器Flame probe 問題: 1. 火焰探測器的火熖有何用途, 2. 試把適當的電勢值填上空格內。 (a) (b) (c) 0 V 5 kV - 5 kV 0 V -2.5 kV 2.5 kV 答案: 1. 火熖的高溫可以驅走探針頂端的感生電荷。在實驗一,如果沒有火熖,探針的頂端會帶 負電。這些負電會把探針原來位置的電位降低。如此,驗電器指針的擴散度會大減。 2. (a) (b) (c) 0 V 5 kV - 5 kV 0 V -2.5 kV 2.5 kV 2.5 kV -2.5 kV 0 V 老師參考資料: 有些書本強調超高壓電源的負極必需接地,此說法不一定可靠。正確的做法是盡量使電源暴露的部份接地:例如火花計數器:。當超高壓電源的正負極都同時暴露於空間,安全的做法是避免觸碰到沒有接地的部份。 37 物理實驗趣味短片 問題與答案 35高壓放電球Gas discharge at high voltage 問題: 1. 用原子理論,解釋為何氖膽在高壓放電球附近會亮起來, 2. 為什麼光管只在手指與高壓放電球之間的部份會發光, 3. 為甚麼雀鳥站在數十萬伏特的高壓電線上不會受到電擊, 答案: 1. 氖膽內游離電子受電場函速,撞擊氖原子。受擊的原子升至較高能態或變為離子。原子 由高能態跌回低能態時會放出光子。氖膽放出光線的波長主要在橙色範圍,故此見到橙 光。 2. 人體可視為一接地的導體,其電位相對於地球表面大致為零。放電球表面內壁有透明的 導電層,用電錶測試可知此層帶有數百伏特的交變電壓。因為人手 (0 V) 與放電球表面 (,+300 V) 有一個很大的電壓差,足以令光管內的低壓氣體放電,故光管只在手與放電 球之間發光。 3. 當雀鳥站在數十萬伏特的高壓電線上,它全身也帶相同的高電壓,但沒有電流通過,所 以不會受到電擊。反之若身體不同部份有不同的電壓,有電流通過身體,就會感受到電 擊。 老師參考資料: 如通過雙手的電流少於 1 mA,人體沒有感覺。電流達到 3 mA,人體就感到電擊。10 mA就無法忍受。100 mA 在數秒內便死亡。 38 物理實驗趣味短片 問題與答案 36電容器儲藏的能量Energy in a capacitor 問題: 1. 電容器儲藏的能量是 A. 內能 B. 電勢能 C. 化學能 D. 重力位能 2. 試計算第三部份實驗中 (i) 電容儲存的能量,(ii) 砝碼獲得的位能及 (iii) 電容連電動機 系統的效率。:設電源的電壓為 7 V,而砝碼上升的高度為 40 cm。: 答案: 1. B 2. (i) 電容儲存的能量 2,0.5CV 2 ,0.5，1.5，7 ,36.8 J (ii) 砝碼取得的位能 ,mgh ,1，10，0.4 ,4 J (iii) 電容連電動機系統的效率 mgh,,，100%20.5CV 4 ,，100%36.8 ,11% 39 物理實驗趣味短片 問題與答案 37磁場的顯示Magnetic field pattern 問題: 1. 在實驗一,把電源關掉,為甚麼指南針並不能立刻指回南北方向, 2. 磁力起重機為何用電磁鐵而不用永久磁鐵的, 3. 把指南針放在水平的電線之下。當有電流通過電線時,以簡圖顯示指南針偏轉的方向。 N i i i i 答案: 1. 磁針再被磁化,如果相鄰兩磁針南極和北極之間的吸力大於地磁作用於單一磁極的磁 力,磁針會維持圓形排列一段時間。 2. 永久磁鐵的磁場永遠存在,只宜起貨,不利落貨。電磁鐵只在通電時產生磁場。適合起 卸貨物之用。 3. N i i i i 40 物理實驗趣味短片 問題與答案 38載電流體在磁場中受的磁力Magnetic force on a current-carrying conductor 問題: 1. 在實驗二中,如果我們把磁場和電流的方向倒轉,銅棒的運動方向有何改變, 2. 參考實驗三結果,在其他物理變數恒定情况下,電線所受的磁力和電流大小有何關係, 答案: 1. 銅棒移動的方向不變。 2. 電線所受的磁力和電流的大小成正比,即是 F i。 老師參考資料: 天秤的讀數係電流作用於磁鐵的磁力。它的反作用力就是電流在磁場中感受的磁力。根據牛頓第三定律,這兩個力的大小是相等的。 41 物理實驗趣味短片 問題與答案 39電流之間的磁力Magnetic force between currents 問題: 1. 畫出下圖中各電線所受磁力的方向和大小:用箭咀的長短表示力的大小:。 (a) (b) 電流電流電流電流 方向 方向 方向 方向 2 A 1 A 2 A 1 A 2. 兩同向電流相扗:甲句:因為 兩條電線內的自由電子互相排扗:乙句: A. 甲句和乙句皆正確。 B. 甲句正確而乙句錯誤。 C. 甲句錯誤而乙句正確。 D. 甲句和乙句皆錯誤。 3. 如果兩個線圈分別連接不同的直流電源。假設電流方向相同,但線圈A中的電流比線圈 B的大兩倍,則 A. 線圈A和B互相排扗,兩線圈受的力大小相同。 B. 線圈A和B互相排扗,線圈B受的大比A大一倍。 C. 線圈A和B互相吸引,兩線圈受的力大小相同。 D. 線圈A和B互相吸引,線圈B受的大比A大一倍。 4. 如果把兩個線圈並聯連接,通電時它們 A. 會互相排扗。 B. 會互相吸引。 C. 之間不存在任何扗力或吸力。 D. 可能互相排扗或吸引。 5. 為何兩個線圈的電流方向相反時,線圈互相排扗。 42 物理實驗趣味短片 問題與答案 答案: 1. (a) (b) 電流電流電流電流 方向 方向 方向 方向 磁力磁力磁力磁力 方向 方向 方向 方向 2. D 3. C 4. D 5. 電流經過線圈會產生磁場,兩個線圈產生的磁場方向相反,作用和兩條同極相向的磁棒 一樣互相排扗。 老師參考資料: 當兩個線圈十分接近時。可考慮由線圈M一小段 ,l 對線圈N平排的一小段 ,l所產生的MN 磁力。由左手定則 (Flemming’s left hand rule) 可知當電流方向相同時,此力為一扗力。 F on N by M l l NM B by M at N 43 物理實驗趣味短片 問題與答案 40簡易摩打Easy motor 問題: 1. 在下圖繪出電流的路徑。 電池 電線 螺絲 磁棒 2. 是非題 把鐵螺絲改為銅螺絲,摩打就不能運作。 答案: 1. 44 物理實驗趣味短片 問題與答案 2. 是。原因:銅螺絲不帶磁性,無法把磁鐵懸掛在電池底部。 老師參考資料: 問題:試解釋實驗中摩打轉動的原理。 答案:通電後,電流由電池正極經電線流入磁棒和螺絲,然後返回負極:圖一:。電流在磁棒的水平分量與磁場的方向垂直:圖二:,由左手定側可知有一切向力作用於磁鐵上:圖三:,由此力產生的力矩:在磁棒外側最大:令磁鐵轉動起來。 磁場方向 電池 磁棒 N 電流垂 直分量 電流水磁棒內的螺絲 電流 平分量 磁場方向 方框部份磁棒右側所受力體圖 電流水 受的切向力 N 平分量 磁棒 S S 圖一 圖二 圖三 45 物理實驗趣味短片 問題與答案 41渦電流擺Eddy current pendulum 問題: 1. 列出兩個引致鋁擺振幅衰減的因素。 2. 為什麼完整的鋁片在磁場中擺動的時間較有罅隙的鋁片短, 答案: 1. (i) 轉軸和鋁片之間的摩擦力和 (ii) 渦電流在磁場中產生的阻尼 (damping)。 2. 鋁片在磁場中擺動會不斷切割磁力線。由於完整的鋁片電阻很小,電磁感應會使鋁片內 部出現很大的渦電流。根據楞次定律,渦電流和永久磁鐵的相互作用會對鋁片的擺動產 生阻尼。:鋁片插入磁場時會被一扗力抗拒,但離開磁場時則會被一吸力拉回。:所以鋁 片的擺動很快便停下來。鋁片間的罅隙會把渦電流的電路截斷,其作用是把鋁片的等效 電阻函大。渦電流減少,阻尼亦隨之減少。 46 物理實驗趣味短片 問題與答案 42磁隧道Magnetic tunnel 問題: 1. 為什麼鋁圓餅在磁隧道內滾動的時間較膞圓餅長, 答案: 1. 鋁是導電體。當鋁圓餅在磁隧道內滾動時,它會不斷切割磁力線,產生渦電流。由楞次 定律,渦電流產生的磁場會減慢鋁圓餅的運動。而膞是絕緣體,經過磁隧道時不會感生 電流,所以它的運動不受影響。:當磁場減弱時,渦電流產生的是吸力而非扗力。: 47 物理實驗趣味短片 問題與答案 43跳環實驗The jumping ring experiment 問題: 1. 為甚麼有狹縫的鋁環在兩個實驗中都沒有反應, 2. 試解釋完整鋁環在實驗一出現的跳動情況。 3. 從實驗二鋁環停在半空的結果,試推論磁通量有否由鐵棒側面溜出。 4. 把兩個完整鋁環套在鐵棒中:圖:,使電流通過下面的線圈:未有畫出:,兩鋁環之間的 力是扗力還是吸力, 上鋁環 下鋁環 圖一:穿過鐵 棒的一對鋁環 鐵棒 答案: 1. 通過線圈的電流不論是直流還是交流,有狹縫的鋁環既沒有渦電流也不會受到磁力。所 以鋁環靜止不動。 2. 開動電源時,磁棒內的磁通量增函,鋁環內出現感生渦電流。由楞次定律,感生電流產 生的磁通量會減慢原來磁通量的增函速率,即是感生電流的方向必須和線圈內電流的方 向相反。如此,線圈中的電流和鋁環中的渦電流互相排扗。鋁環因而在開動電源的一剎 那彈起。:之後鋁環出現的輕微振動是濾波欠佳引起的,改用充電池做實驗就不會有振 動。: 3. 鋁環停在半空,顯示它受一個向上的磁力 F 承托著。由於環內的渦電流 i 是切向流動 的,由左手定則可知磁場必須存在一個徑向的水平分量 B:圖二:。即是鋁環是被溜出H 鐵棒的磁力線托起的。 圖二:磁浮鋁環磁力 感受的磁力及F = ilB 其中的渦電流 渦電流i 磁場水平 分量B H 48 物理實驗趣味短片 問題與答案 4. 兩鋁環中的渦電流幾近同相同向。所以兩者之間的力是吸力。 49 物理實驗趣味短片 問題與答案 44鋁環內的渦電流Eddy current ring 問題: 1. 如圖示,當磁棒插入時,相對於觀察者,鋁圈內渦電流的方向和感生磁場的方向分別是 N S 渦電流的方向 感生磁場的方向:相對於磁鐵移動方向: A. 順時針 相同 B. 順時針 相反 C. 反時針 相同 D. 反時針 相反 2. 如圖示,當磁棒被拉出時,相對於觀察者,鋁圈內渦電流的方向和感生磁場的方向分別 是 N S 渦電流的方向 感生磁場的方向:相對於磁鐵移動方向: A. 順時針 相同 B. 順時針 相反 C. 反時針 相同 D. 反時針 相反 答案: 1. D 2. B 50 物理實驗趣味短片 問題與答案 45感應摩打Induction motor 問題: 1. 當鋁片放在汽水罐和電磁鐵之間,為什麼汽水罐轉動起來,又為甚麼開始時沿逆時針方 向轉,但把鋁片放另一邊,汽水罐卻沿順時針方向轉, 2. 試舉出一個以渦電流運作的實驗室常用儀器。 答案: 1. 電磁鐵連接交流電源會產生交變磁通量。當鋁片放在汽水罐和電磁鐵之間,鋁片和汽水 罐都會感生出渦電流。由於兩者的瞬時渦電流同向,它們會互相吸引。若鋁片在汽水罐 右邊,鋁片作用於汽水罐的切向力形成一逆時針個轉動力矩,使汽水罐沿逆時針方向轉 動:見下圖:。同理,當鋁片在汽水罐左邊,汽水罐會沿順時針方向轉動。 電鋁罐 磁 鐵 鋁片 鋁片 渦電流 鋁罐受的力 電磁鐵 汽水罐 圖:渦電流在某一刻的流動方 向。上為鳥瞰圖,右為側面圖 2. 焦耳計及千瓦時計。 51 物理實驗趣味短片 問題與答案 46渦電流的磁浮現象Eddy current levitation 問題: 1. 為什麼唱盤轉動會使磁鐵升起, 2. 為甚麼唱盤轉動會使吊著的一對磁鐵沿同方向轉動, 答案: 1. 銅片轉動會不斷切割磁鐵的磁力線,令銅片產生渦電流。由楞次定律,渦電流產生的磁 場和磁鐵的磁場方向相反,作用有如同極相扗,令磁鐵升起。 2. 如圖示,設磁鐵的下方為北極,而唱盤則沿順時針方向旋轉。唱盤轉動時,銅片不斷切 割磁鐵的磁力線。在磁鐵前方的磁場在減少中。由楞次定律,在前的渦電流會產生一個 方向相同的磁場,作用就如在銅片表面出現一個臨時的南極:紅色 S:,並使磁鐵承受一 向前的力。同理,在磁鐵後方的磁場在增函中,在後方的渦電流會產生一個方向相反的 磁場,作用就如在銅片表面出現一個臨時的北極:紅色 N:,前後的渦電流都有一個向 前的力作用於磁鐵。所以磁鐵會隨唱片相同的方向轉動。 S N N 轉盤轉動方向 S 52 物理實驗趣味短片 問題與答案 47一對偶合質量,彈簧振子A pair of coupled mass-spring oscillators 問題: 1. 下列哪些因素是本實驗出現共振的必要條件, I. 線圈的圈數相同 II. 磁棒的質量相同 III. 彈簧的長度相同 A. I 和 II B. I 和 III C. II 和 III D. I、II 和 III 2. 下列哪些改變:對其中一邊振子:可產生拍, I. 線圈的圈數 II. 磁棒的質量 III. 彈簧的長度 A. I 和 II B. I 和 III C. II 和 III D. I、II 和 III 答案: 1. C 2. C 53 物理實驗趣味短片 問題與答案 48壓電效應Piezoelectric effect 問題: 1. 舉出兩個壓電效應的應用。 答案: 1. (i) 點火器,(ii) 蜂鳴器,(iii) 超聲波發射和接收器,(iv) 聲納,(v) 發霧器。 54 物理實驗趣味短片 問題與答案 49沙漏浮沉子Sandglass Cartesian diver 問題: 1. 是非題 (a) 隨著流沙下墜,沙漏的密度慢慢減少。 (b) 把沙漏放入大小相同盛有輕質潤滑油的量筒中,它會上升得更快。 2. 下列哪些方法可能使浮沉子升得慢一點, I. 函些鹽在水中 II. 改用熱水 III. 在浮沉子的樽頸位函一個很小的鐵線環 A. 只有 I 和 II B. 只有 I 和III C. 只有 II 和 III D. I、II 和 III 答案: 1. (a) 非 (b) 非。解釋:油的密度若低於沙漏的平均密度,沙漏不會升起。 3. C 老師參考資料: 問題:為何量筒內的沙漏隨著流沙下墜而慢慢升上水面, 答案:此實驗用的量筒和沙漏是特製和互相配合的。量筒內壁與沙漏兩個圓球之間的空隙很小,當大部分沙在上半球,沙漏的軸是些微傾斜的,圓球因與量筒內壁接觸而被「卡」住。但沙漏的重心隨著幼沙流入下球而降低,其主軸自動返回鉛垂方向。最後,沙漏和量筒之間的摩擦力不再存在,前者便可以慢慢升回水面。 55 物理實驗趣味短片 問題與答案 50雲的形成Formation of cloud 問題: 1. 打開樽庄汽水瓶蓋時,可以見到汽水表面一片白濛濛的雲霧,這些雲霧是 A. 水蒸氣 B. 空氣中懸浮的小水點 C. 氣體二氧化碳 D. 空氣中懸浮的乾冰小點 2. 水沸騰時,可以看見白濛濛的「煙霧」由水煲噴出來,這些煙霧是 A. 水蒸氣 B. 由水面濺出的水花 C. 水蒸氣凝結成的小水點 3. 打開冰箱,有時可以見到一片白濛濛的雲霧,這些雲霧是由 A. 由冰放的小水點 B. 由冰放出的水蒸氣 C. 水蒸氣遇冷凝結成的小水點 4. 是非題 (a) 肉眼可以見到的水蒸氣。 (b) 雲是漂浮在高空的小水點或冰晶。 (c) 霧是漂浮在低空中的水蒸氣。 答案: 1. B 2. C 3. C 4. (a) 非。解釋:水蒸氣是肉眼看不見的。 (b) 是 (c) 非。解釋:霧是漂浮在低空中的小水點。 老師參考資料: 56 物理實驗趣味短片 問題與答案 問題:試解釋實驗中雲的形成過程。 答案:氣泵將空氣迫入玻璃瓶,使瓶內的氣壓增大。最後瓶塞抵受不住壓力而被迫出,氣壓驟降,體積突然大增。氣體膨脹時會把大氣推開,根據熱力學第一定律, ,E = Q + W 由於外間熱量需要較長的時間才能傳入,Q = 0 瓶內空氣的內能 ,E 必須下降,氣體才能對外作凾:W為負值:。內能下降時溫度亦同時下降,瓶內的水蒸氣凝結為小水點,懸浮於空氣中,變得變得白濛濛一遍。 57 物理實驗趣味短片 問題與答案 51 , 輻射在磁場中的偏轉Deflection of beta rays by a magnetic field 問題: 1. 準直儀有甚麼作用, 2. 為何把一對磁鐵裝在準直儀後方,G-M管在 0 度:對正放射源:的讀數下降, 3. 由放射源射出的 , 粒子是否都有相同的速度,試用實驗結果支持你的答案。 4. G-M管在 -10 度和 -30 度的位置的讀數是由甚麼輻射引致,試舉一例。 答案: 1. 使 輻射沿特定方向射出。 2. ,輻射其實是由放射性原子核放出的電子束。高速電子穿過垂直的磁場,會受磁力影響 而偏轉,所以G-M管在0度的讀數下降。 3. G-M管在 10 度、20 度、30 度和 40 度的位置都能探測到 , 輻射,顯示 , 粒子受磁 場影響出現不同的偏轉角。由公式,帶電粒子在磁場所受的磁力為 2mvevB,F = r 由於 m, e 和 B 為恒定,數據顯示來自同一放射源的 , 粒子可以有不同的速度:能量:。 4. 有些 粒子和空氣粒子碰撞,因而改變方向。又本底幅射使 G-M 管在任何位置皆可 讀得讀數。 老師參考資料: 帶電粒子在磁場中運動會感受到一個和運動方向垂直的力。由公式, 2mvevB, r 可知不同速度的帶電粒子會出現不同的偏轉角。速度愈高,偏轉的角度愈小。實驗數據顯示入射的 , 粒子有不同的速度,即是 , 射線有一個連續的能譜 (energy spectrum)。 58 物理實驗趣味短片 問題與答案 52隨機衰變Random decay 問題: 1. 在核衰變過程中,「隨機」是指 A. 每一原子核經過相同時段後衰變的機率都不同。 B. 經過特定時間後,不穩定的原子核一定發生衰變。 C. 每一原子核在將來某時段內發生衰變的機率都相同。 D. 經過特定時間而未衰變的原子核,將來衰變的機率變大。 2. 以擲骰子的次數為 x 軸,剩餘骰子的數目為 y 軸,試繪一骰子衰變圖線,起始未擲時 算為第 0 次,骰子數為 900。 3. 利用題 2 的曲線,估計骰子衰變的半衰期:以擲骰次數為單位:。 答案: 1. C 2. 剩餘骰子數 900 800 700 600 500 400 300 200 100 擲骰次數 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 59 物理實驗趣味短片 問題與答案 3. 3.8次 60 物理實驗趣味短片 問題與答案 53木塞靠邊站,Cork on the water 問題: 1. 試解釋實驗結果。 2. 試舉出另一個使木塞停在水表面中央的方法。 答案: 1. 由於玻璃對水的附著力 (adhesion) 大於水的內聚力 (cohesion)。在盛水半滿的燒杯中, 水的表面呈中間凹陷的半月形 (meniscus)。靠近玻璃的水位被玻璃壁拉高。浮水的木塞 會傾向移到水位最高的位置,即是玻璃壁的旁邊:圖一:。若把水貫滿至燒杯頂部,水的 表面張力使其表面變為上击的半月形。同理,浮水的木塞會移到水位最高處,即是水表 面中央位置:圖二:。 圖二:木塞浮在盛圖一:木塞浮在盛 水超滿的燒杯內 水半滿的燒杯內 2. 在燒杯內壁塗上一層均勻的油脂,使水的表面呈上击的半月形。 圖三:木塞浮在內壁 塗了油脂的燒杯內 61 物理實驗趣味短片 問題與答案 62