電動鞦韆該畢業了?只用一張鋁箔紙就能做的弗萊明左手定則實驗!(電流在磁場中受到的力)
我是科學訓練師桑子研。每天都是實驗。
這個實驗不管做幾次,我都還是會忍不住「哇!」地叫出聲來。看不見的電流,加上同樣看不見的磁場。當這兩種「看不見的東西」相遇時,不知道為什麼,真的就會產生「力」。
而且,今天要介紹的方法,不需要製作像電磁鞦韆那樣大型的裝置,只要利用身邊常見的鋁箔,就能重現這個神奇的現象。操作非常簡單,卻是一個會讓人印象深刻、久久記得的實驗。很推薦把它運用在課堂教學或科學研究活動中。
當電流和磁場「握手」時,會發生什麼事?
電流受到磁場作用而產生力的現象,稱為「洛倫茲力」。在日常生活中,我們幾乎不會特別注意到它,但其實在馬達、發電機等支撐我們生活的機械核心中,正是這股力量在發揮作用。電風扇、火車、洗衣機,追根究柢來說,都是靠著這股看不見的力量運作的。
很多人看到課本上的「弗萊明左手定則」時,可能會覺得這個名稱聽起來很複雜、很難懂。不過,當你親眼看到眼前的鋁箔突然「啪」地動了一下,原本抽象的定則就會突然變成一件和自己有關的事情。今天就來介紹一個能夠輕鬆親身體驗這個現象的方法。
需要準備的東西
- 鋁箔(寬度約25cm):一般家庭使用的鋁箔就可以了。
- 剪刀:用來剪裁鋁箔。
- 尺:用來將鋁箔裁切得筆直,有的話會比較方便。
- 透明膠帶或雙面膠帶:用來將鋁箔固定在桌面上。
- 直流電源:用來讓電流通過。推薦使用Petit-X迷你電流計。當電流達到1A時會自動切斷電源,這項安全設計相當方便。

- 導線(附夾子):用來連接電源與鋁箔。
- 鋁鎳鈷磁鐵、釹磁鐵等強力磁鐵:用來產生磁場。也可以用馬蹄形磁鐵代替。
實驗步驟
1 裁切鋁箔:將寬25cm的鋁箔裁切成寬1.5cm的細長條。依照課堂上所需的數量事先準備好。鋁箔裁得越細,就會越輕,即使很小的力也能讓它產生容易觀察的明顯動作。

2 固定在桌面上:將裁好的鋁箔放在桌面上,用透明膠帶或雙面膠帶將兩端牢牢固定。貼到桌面時,重點是要把鋁箔拉直,不要讓它鬆垮下垂。如果有鬆弛的部分,即使受到力的作用,也會很難看出它的動作。

3 組裝電路:將導線分別接到直流電源(或乾電池)的正極和負極。

4 放置磁鐵:在鋁箔的正上方或正下方放置釹磁鐵等強力磁鐵。只要改變磁鐵的方向(N極、S極),就可以觀察到受力方向跟著改變。如果時間充裕的話,務必試試看。
5 讓電流流過去!:打開電源開關,讓電流流過鋁箔。請注意不要讓電流過大。通電後,可以觀察到鋁箔扭轉的部分突然「抖」了一下。這個動作正是電流受到磁場作用所產生的力,也就是洛倫茲力的證據。
例如像這樣配置,然後讓電流流過,

鋁箔帶會受到朝向前方的力而移動。

如果改成這樣配置,再讓電流流過,

鋁箔帶會像狗狗趴下來一樣,受到向下的力而垂落。同樣的電流、同樣的磁鐵,只是改變方向,運動方式竟然就會有這麼大的差異。這正是洛倫茲力最有趣的地方。

這是一份可以直接拿來製作講義的圖片教材。如果覺得有用,歡迎使用。

能不能自己找到弗萊明左手定則?
實驗結束後,不妨讓學生自己思考看看:電流的方向、磁場的方向,以及力的方向之間,究竟存在什麼樣的規律?這個現象之所以有點棘手,是因為它發生在三維空間中,而一張平面的紙張,很難完整呈現這種關係。也正因如此,在用頭腦理解之前,先動手操作、讓身體「記住」它,反而更有意義。
當我們將大拇指、食指和中指分別伸直,讓三根手指彼此成直角時,只要將食指對準磁場的方向、中指對準電流的方向,大拇指所指的方向就是力的方向。這就是「弗萊明左手定則」。

比起直接從課本背下定則,如果能先親眼看到眼前的鋁箔動起來,再一步步找出其中的規律,學生的理解往往會更加深入。先用自己的雙手親自確認,再知道原來這個現象還有一個叫作「定則」的名稱。或許,這樣的學習順序,正是讓科學真正變成「與自己有關的事」最快的方法。
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