磁力彈弓小製作

本文改良一種以磁鐵代替一般彈簧的彈弓，巧妙運用碰撞來增加鋼珠的速度，一般讀者都可以輕鬆組合完成。

（原載：《科學月刊》，第35卷第2期）

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（視訊來源於土豆網）

這磁力炮的威力可真夠大了，該怎樣製作一個這樣的磁力炮模型呢？請聽周鑑恆老師給我們娓娓道來。

注：原文為繁體，本站釋出時未轉譯，但為方便讀者閱讀，直接將繁體轉為簡體。

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周鑑恆博士專欄

本文改良一種以磁鐵代替一般彈簧的彈弓，巧妙運用碰撞來增加鋼珠的速度，一般讀者都可以輕鬆組合完成。

新世代的小朋友，也許比較少接觸四、五年級生小時侯的童玩——彈珠，在輕脆的碰撞聲中，一顆顆晶瑩剔透的玻璃珠，千變萬化地演示著一個力學中非常有趣的課題——碰撞。

從花式撞球高手種種令人折服的技巧、車禍現場責任之判定，到彗星撞地球或整個星系碰撞的計算機模擬，乃至於先鋒十號、十一號、旅行家一號、二號故意繞過木星，利用萬有引力與木星“碰撞”，以獲得更高的速度（依碰撞的學理定義，不一定非得一頭栽到木星表面才叫做碰撞：掉下去摔個稀巴爛，叫非彈性碰撞；用木星當個超級大母球，把宇宙飛船彈到渺遠的宇宙盡頭，則叫作彈性碰撞），這些都在碰撞這門學問涵蓋的範圍之內。本文改良一種以磁鐵代替一般彈簧的彈弓，巧妙運用碰撞來增加鋼珠的速度，一般讀者都可以輕鬆組合完成。

圖一是磁力彈弓的原始設計，2002年由高雄師範大學物理系主辦的“物理教學與示範研討會”，筆者應邀負責工作坊單元，即曾介紹這樣國外稱之為高斯來福(Gaussrifle)的教具。在一直線軌道上，用膠帶黏上若干個稀土強磁，每一個稀土強磁的前方先吸住兩個鋼珠，再以一顆鋼珠朝著最左方的磁鐵緩緩撞過去，鋼珠因受磁鐵吸引而加速撞上磁鐵，經碰撞將動能傳遞給前方的鋼珠，速度已經加快的前方鋼珠進而再加速撞上更前方的磁鐵，說時遲那時快，經連鎖碰撞，最前方鋼珠射出時，速度已遠遠快過最初那顆鋼珠撞擊到最左方磁鐵時的速度。從牛頓第二運動定律和能量守恆定律都不難解釋箇中奧妙。根據碰撞原理，所有結構都越硬，所有鋼珠和磁鐵的質量都儘可能一樣時，效果

最好。

圖一：擊發前後原始磁力彈弓（Gaussrifle）的示意圖。

但這原始的設計有兩項缺點：（一）用作彈簧的磁鐵也參與碰撞，磁鐵的質量必須與鋼珠相同，這點大大限制了磁鐵的形狀和大小，每一段加速不能用多塊或較大塊的磁鐵加強引力；（二）鋼珠直接撞擊磁鐵，一則使原本易碎的稀土強磁容易碎裂，因此鋼珠的極速不能快到會撞破磁鐵，此限制了鋼珠的速度，另則所謂永久磁鐵經多次反覆撞擊，其磁力還是會逐漸消失，使此碰撞儀具迅速老化。

DIY改良的磁力彈弓所需器材

·直徑9mm的圓柱狀稀土磁鐵4塊（臺北市重陽路“臺灣磁鐵”有售廉價品）。

·2根鋁條（其他硬質長條都可以代替）。

·直徑9mm的鋼珠5個（每顆重2.97g）。

·4根直徑9mm，高3cm的的鋁製圓柱（每根重約3g）。

·木板若干（B＆Q特立屋有很齊全的貨色）。

圖二為筆者改良的磁力彈弓側檢視，其中4塊磁鐵埋在木質平臺上的孔穴中，不直接參與碰撞。用強力膠將兩根鋁條相距9mm左右黏在木製平臺上，製成溝槽，鋼珠恰可在此溝槽內滾動並經每塊磁鐵的正上方，4根鋁製圓柱橫置於溝槽中，位置在每塊磁鐵之前緣，用透明膠帶黏妥（勿黏得太緊）。這樣就算完成了這具磁力彈弓。操作時依圖二擺好鋼珠，將最左方的鋼珠輕推向前即可擊發。

圖二：筆者改進的磁力彈弓藍圖。

本文改良一種以磁鐵代替一般彈簧的彈弓，巧妙運用碰撞來增加鋼珠的速度，一般讀者都可以輕鬆組合完成。

改良的重點在於：磁鐵不再受到直接撞擊，可免磁鐵破裂和磁力消失之虞。也可為增強演示的效果，尺寸酌予放大。也可儘可能提高鋼珠速度，磁鐵的造型亦有更多可行方案。圖三乃是基於相同改良構想的另一種選擇。其中磁鐵對臥，NS極兩兩相對，鋼珠在最高速時撞擊非鐵磁性球，這非鐵磁性球要與鋼珠等重，最好是不導電的剛體，再由這非鐵磁性球撞擊下一個鋼球，繼續下一階段的加速過程。如果能克服鋼珠被磁化而高速接近磁鐵時渦電流損失能量的問題，以及減少摩擦力，理論上經過愈多磁鐵加速，最後射出的鋼珠就愈快。

圖三：磁力彈弓其他改進方案之一。在此方案中，最右方的鋼珠可以省掉，直接以非鐵磁性球作為子彈。

這架磁力彈弓射出的鋼珠速度尚不致於快到傷人（當然不宜瞄準眼睛等脆弱的部位），有以下幾種演示方式：（一）可以將其水平放置，近距離射倒空鋁罐；（二）或以仰角45度發射，看看其射程；（三）或用厚紙覆蓋磁鐵及鋁圓柱，作成隧道，把最前方的鋼珠和最後方的鋼珠漆成不同顏色，製造慢速紅色圓珠滾進，滾出來變綠又變快的錯覺效果；（四）或將溝槽製成類似雲霄飛車軌道起伏的造形，將磁力彈弓安排在斜坡處，使從較低坡道擊發的鋼珠，經磁力彈弓爬到高出許多的坡道。

圖四：改進的磁力彈弓實物特寫；輕輕撥動鋼珠擊發，射出的鋼珠即可打翻果汁罐。

原理方面，可以從能量的角度來解釋這架磁力彈弓的效果。因為磁鐵和鋼珠之間為吸引力，所以越靠近磁鐵，鋼珠的位能越低。以圖一為例，整個系統一共有5顆鋼珠，擊發前最左方的鋼珠和分別在兩塊磁鐵最右方的兩顆鋼珠，其位能都比較高，被磁鐵直接吸住的兩顆鋼珠的位能則較低，最左方的鋼珠剛滾動時當然也有一些動能。擊發後，共有4顆鋼珠的位能變得特別低，總位能明顯變少了。根據能量守恆定律，位能減少的變化量，變成擊發後最右方鋼珠的動能比擊發前最左方鋼珠的動能增加的變化量。（本文圖片皆由作者提供）

【編後語】

周老師的改進非常好，但要找到與小鐵球質量相等的鋁柱可能比較難，是否可以直接用小鐵球代替鋁柱，但增加一些鐵球（如下圖）。這樣雖然要多一些鋼珠，但材料的尋找就變得更容易(其中圓球全部用鐵球，方塊代表磁鐵)，而且由於磁鐵上的那個鋼球被磁化了，相當於磁鐵的一部分，可能還會起加大磁力的作用。當然由於撞擊鋼球不能到達磁鐵正上方，相應能轉化成動能的磁能也少了。不知效果與用鋁柱的相比差多少，如果相差不大我建議改用這種方法，以減少材料尋找的麻煩。（興華科學教育網編輯：劉劍鋒）

責編：劉劍鋒