磁力弹弓_科学探究馆_科教资源_中国兴华科学教育网

作者：周鉴恒    文章来源：作者惠赐      更新时间：2009-11-23

 

新世代的小朋友，也许比较少接触四、五年级生小时侯的童玩——弹珠，在轻脆的碰撞声中，一颗颗晶莹剔透的玻璃珠，千变万化地演示着一个力学中非常有趣的课题——碰撞。

从花式撞球高手种种令人折服的技巧、车祸现场责任之判定，到彗星撞地球或整个星系碰撞的计算机仿真，乃至于先锋十号、十一号、旅行家一号、二号故意绕过木星，利用万有引力与木星“碰撞”，以获得更高的速度（依碰撞的学理定义，不一定非得一头栽到木星表面才叫做碰撞：掉下去摔个稀巴烂，叫非弹性碰撞；用木星当个超级大母球，把宇宙飞船弹到渺远的宇宙尽头，则叫作弹性碰撞），这些都在碰撞这门学问涵盖的范围之内。本文改良一种以磁铁代替一般弹簧的弹弓，巧妙运用碰撞来增加钢珠的速度，一般读者都可以轻松组合完成。

图一是磁力弹弓的原始设计，2002年由高雄师范大学物理系主办的“物理教学与示范研讨会”，笔者应邀负责工作坊单元，即曾介绍这样国外称之为高斯来福(Gauss rifle)的教具。在一直线轨道上，用胶带黏上若干个稀土强磁，每一个稀土强磁的前方先吸住两个钢珠，再以一颗钢珠朝着最左方的磁铁缓缓撞过去，钢珠因受磁铁吸引而加速撞上磁铁，经碰撞将动能传递给前方的钢珠，速度已经加快的前方钢珠进而再加速撞上更前方的磁铁，说时迟那时快，经连锁碰撞，最前方钢珠射出时，速度已远远快过最初那颗钢珠撞击到最左方磁铁时的速度。从牛顿第二运动定律和能量守恒定律都不难解释个中奥妙。根据碰撞原理，所有结构都越硬，所有钢珠和磁铁的质量都尽可能一样时，效果
最好。

图一：击发前后原始磁力弹弓（Gauss rifle）的示意图。

但这原始的设计有两项缺点：（一）用作弹簧的磁铁也参与碰撞，磁铁的质量必须与钢珠相同，这点大大限制了磁铁的形状和大小，每一段加速不能用多块或较大块的磁铁加强引力；（二）钢珠直接撞击磁铁，一则使原本易碎的稀土强磁容易碎裂，因此钢珠的极速不能快到会撞破磁铁，此限制了钢珠的速度，另则所谓永久磁铁经多次反复撞击，其磁力还是会逐渐消失，使此碰撞仪具迅速老化。

DIY改良的磁力弹弓所需器材

·直径9mm的圆柱状稀土磁铁4块（台北市重阳路“台湾磁铁”有售廉价品）。

·2根铝条（其他硬质长条都可以代替）。

· 直径9mm的钢珠5个 （每颗重2.97g）。

· 4根直径 9mm，高3cm的的铝制圆柱（每根重约3g）。

· 木板若干（B＆Q特立屋有很齐全的货色）。

图二为笔者改良的磁力弹弓侧视图，其中4块磁铁埋在木质平台上的孔穴中，不直接参与碰撞。用强力胶将两根铝条相距9mm左右黏在木制平台上，制成沟槽，钢珠恰可在此沟槽内滚动并经每块磁铁的正上方，4根铝制圆柱横置于沟槽中，位置在每块磁铁之前缘，用透明胶带黏妥（勿黏得太紧）。这样就算完成了这具磁力弹弓。操作时依图二摆好钢珠，将最左方的钢珠轻推向前即可击发。

图二：笔者改进的磁力弹弓蓝图。