顯微鏡放大影像之謎

人類的眼睛之所以能夠看到物體的形狀、顏色和影像,是因為光線照射到物體反射後或光源所發出的光線進入眼睛,進入眼中的光線經過透光的角膜、虹膜、水晶體、和液態的玻璃體的折射成為影像落在視網膜上,再經過視神經把訊號傳送到腦海中。 水晶體與凸透鏡 眼睛中的水晶體的原理與凸透鏡的原理很相似,凸透鏡邊緣薄、中間厚,會有一個球面表面或兩面表面。凸透鏡主要對光起會聚作用,以折射成像,所成的像可以是倒立、縮小的實像; ▲倒立、等大的實像;倒立、放大的實像; ▲正立、放大的虛像。像出現的位置隨物體至凸透鏡的距離而變。 放大鏡的原理 根據凸透鏡光的折射原理,物體放在凸透鏡的一倍焦點距離內的位置,就能夠產生一個正立和放大的虛像,所以放大鏡就是一個短焦距的凸透鏡,在相同物距的情況下,短焦距的凸透鏡放大倍數高,所以當我們把放大鏡靠近物體時,就能夠透過鏡中看到被放大的影像。 顯微鏡的結構 放大鏡能夠把物體的影像放大,如果再把另一把放大鏡放在被放大的虛像上,能否把被放大的虛像再次放大? 顯微鏡的運作結構就是利用兩組凸透鏡組成,分別是靠近眼鏡的稱為「目鏡」,而靠近被觀察的物體的稱為「物鏡」。 顯微鏡樣本片會放置在載物台上,然後把物鏡對着樣本片,當光源照射樣本片,樣本片物體的光會通過物鏡,形成一個放大及倒立的實像,而目鏡就相當於放大鏡的功用,把由物鏡所形成的放實像再次放大,形成一個放大及正立的虛像。 顯微鏡的光源亮度對顯微鏡是會產生影響的,而大部分新款的顯微鏡都設有LED頂燈及底燈,讓使用者可自行調較光暗,能夠觀看透明或非透明的標本,加上顯微鏡台内置更設有濾光鏡,營造色差對比,讓標本一目了然。 而微調手輪而能讓觀察者微調載物台的高度,以便調整物鏡與的標本的距離,使影像更清晰。 顯微鏡中的數學 顯微鏡能夠把微小不可見或難見物品之影像放大,是能夠讓我們利用眼睛觀察極微小的物件的光學儀器,顯微鏡的放大倍率和清晰度對顯微鏡是非常重要,在目鏡和物鏡身上都會刻有一些數值,例如:4x、10x、12x或120x,這又是什麼來的? 顯微鏡的調整倍率,又叫放大倍率,就是相等於:目鏡倍率 x 物鏡倍率,假如目鏡倍率是 10x,而物鏡倍率是 120x,顯微鏡的放大倍率就是 10 x 120 = 1200 倍。 目鏡的鏡頭愈長、倍率愈低;目鏡的鏡頭愈短、倍率愈高。而物鏡的鏡頭愈長、倍率愈高;物鏡的鏡頭愈短、倍率愈高。顯微鏡就是利用目鏡和物鏡的倍率組合來改變顯微鏡的放大倍率。 顯微鏡與智能手機的配合 新型設計的顯微鏡更可以接駁智慧型電話轉接器,可以在目鏡位置放置智慧型電話,可以進行攝影機拍照或錄影,更方者觀察者把標本影像以作分享或傳送之用,更可以利用智慧型電話的放大功能,有助增加影像的放大率。 顯微鏡在STEM學習中依然扮演着一個很重要的角色,就是要培育學生的觀察能力,視藝老師更可以利用顯微鏡配合視覺藝術的課堂中,以觀察微小世界的美進行藝術創作,成為科學中的藝術。 內容提供︰STEM Sir 刊載於︰GRWTH app

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菠蘿削皮機 蘊含豐富STEM元素

夏天到了,又甜、多肉、多汁的水果是很受大眾歡迎,而菠蘿就是其中一種,可是在家要打開一個新鮮菠蘿就不是一件容易的事,用刀削皮和「起釘」就花不少氣力。因此大家會想到超市甚至食品加工廠的菠蘿削皮機。不過這款機械,其實蘊含不少STEM元素在內。 認識菠蘿的結構︰難以削皮起釘之謎 菠蘿頂部長有菠蘿葉,外層有凹凸不平的硬厚皮包著菠蘿的果肉,果肉富有豐富的膳食纖維和汁液,而菠蘿果肉的中央是肉質纖維較密、較硬和堅韌度高的果芯,難以用牙齒咬爛,所以最常被食用的部分就只是多汁的果肉。 傳統取出菠蘿肉的方法 要替菠蘿進行削皮,最好的方法就是先把原個菠蘿的頂部和底部切除,形成一個圓柱體的狀態,然後利用刀沿着圓柱菠蘿的曲面外皮逐一削走,再把菠蘿切件和切走較硬的果芯才能把菠蘿肉取出。 手動菠蘿削皮器 結構簡單卻實用 手動菠蘿削皮器工具的出現,有助大家在家中簡單地把菠蘿起肉,手動菠蘿削皮器的外型設計極之簡單,只是一個手柄連接著一個不鏽鋼中空圓柱筒,圓柱筒的底部設有鋸齒,外圍有一片中空不鏽鋼的開邊圓形面,開邊位置以一高一低的形式接駁,形成一個螺旋斜面,外圈高低部分亦有垂直的三角形面,三角形的斜邊亦設有鋸齒。 在使用手動菠蘿削皮器前同樣要先把菠蘿頂部打橫切除,然後把手動菠蘿削皮器垂直放在菠蘿頂部,位置要較接近中央圓心,稍向下用力把圓柱筒刀體以順時針方向旋轉鑽入菠蘿內,一直削至底部。 把工具往上提起就能夠把整個菠蘿肉抽出與果皮分離,按下手柄下的兩個黑色按鈕便可以把手柄和刀體分拆,這樣就能夠完整地取下菠蘿果肉。 在旋轉螺旋斜面的過程中,原來經已把菠蘿肉切的厚度一致的菠蘿片,同時菠蘿芯也被中空圓柱筒切出,極為方便。 自動菠蘿削皮機 系統化運作 近日在各大型超市有巡迴的方式放置了一台自動菠蘿削皮機,只要放入完整的菠蘿,再按下按鈕,短短三四秒就把菠蘿削皮、起肉及入盒,是個極速取菠蘿肉神器。 自動菠蘿削皮機的削皮程序極為簡單,只有三個步驟,分別是: 步驟一:放入菠蘿 步驟二:放入盒子 步驟三:按開始按鈕 當按下開始按鈕後的菠蘿會沿半圓路軌送至後方,路程中裝有上下平行的刀把,當菠蘿路經時就能同時把菠蘿的頂部及底部切除,然後被送入後方的削皮台上固定位置。 第二個步驟是削皮台上裝有一把圓柱筒刀,圓柱筒刀內的刀有固定造型,圓柱筒刀垂直向下切入果肉,把菠蘿皮和菠蘿芯削走,同時把菠蘿肉切成八件並推入收集筒內。 第三個步驟就是把盛載有菠蘿肉的收集箱轉至出口已放置空置的食物盒位置,然後打開底部,菠蘿肉就會跌落食物盒內。 任何一種自動機器的設計理念都是建基於一些特定恆常的工作順序,再簡化步驟及優化工序,把機器活動空間減至最小,就有助研發出既方便又受大眾歡迎的產品。 內容提供︰STEM Sir 刊載於︰GRWTH app

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VR學與教 無遠弗屆

北京實驗 倫敦探討 內地早前發表一份《VR教學對學生學習成績的影響實驗報告》,以北京全日制中學生的考試分數作比較,研究用VR教學如何改善學習成績。結果VR教學組的考試平均成績較傳統教學提升27.4%。報告同時指出,即使學習困難的學生,也能提升20分,VR學與教成效不容置疑。 無獨有偶6月11至12日英國倫敦舉辦了一個名為Future Edtech的教育活動,重點探討如何利用VR學與教,讓學生進入沉浸式學習環境,從而有效了解現實世界。此外,亦從多方面研究,探索VR學與教跟語言、設計和人文學之間的連繫,從而規探VR學與教的定位與未來路向。 中學、大學體驗 青少年分享 6月5日中華基督教會方潤華中學邀請虛擬實境教學,到學校即場示範同步虛擬實境教室,一眾老師親身感受VR學與教的成效,積極提問及討論。 6月14日香港教育大學鄧斌衡博士親臨虛擬實境教學,親身體驗如何以VR幫助學生有效學習。 7月5日上午11:30虛擬實境教學創辦人及行政總裁黃賀蘭女士,獲香港青年協會賽馬會Media 21媒體空間的邀請,將在為期兩天的《新媒體節》發表演講,深入淺出分享VR學與教的優勢,歡迎學界出席以掌握VR教學第一手資訊。 地點:香港仔石排灣邨商場LG2層02室 網頁:https://m21.hk/ 2020亞洲聚焦VR學與教 BETT英國科技教育領導峰會及展覽是歷史最悠久、學界最矚目兼具權威的科技教育盛事,每年吸引全球各地數萬名學者、商家及專家前來,共同分享最頂尖的教育科技。 BETT Asia顧名思義是為亞洲國家而辦的同類展覽,一如既往得到多家院校及一眾龍頭科技公司,如微軟、聯想及HP等贊助。在VR學與教熱潮席捲全球下,明年3月在馬來西亞吉隆坡舉行的BETT Asia 2020,已預告從廣泛而深入的角度,探討VR教學將如何成為無可避免的教育模式。 網頁:https://asia.bettshow.com/bett-asia-2020 VR學與教,有望10年增長1,000倍 回想蘋果iPhone在2008年推出初期,首年只售出20萬部,如今每年銷量已超過2億。 現時香港VR學與教的應用雖未算太全面,但已跟全球學界接軌,並逐漸蘊釀一股新勢力,相信在不久將來有爆炸性的發展。 內容提供︰VR Educate 刊載於︰GRWTH app

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磁浮列車與STEM

首次在上海浦東國際機場乘坐磁浮列車(Magnetic Levitation Train;一般稱為 Maglev Train)往市區,沒想到何其極快,比乘坐地鐵往市區足足快半小時,極之舒適、方便、快捷!不過大家又是否知道,磁浮列車的科學原理,其實可以是STEM的教材? ▲上海磁浮列車(Shanghai Maglev Train;SMT) 磁鐵的特性 磁鐵是一種能夠產生磁場的物體,同時又能夠吸引一些有鐵磁性的物質,例如:鐵、鎳及鈷等金屬。而磁鐵上的磁極判定,可以利用細線懸掛磁鐵,指向北方的磁極稱爲「指北極」,又會以英文字母「N」來表示;指向南方的磁極就稱為「指南極」,用來英文字母「S」表示。磁鐵異極則相吸,同極則排斥。意思是指南極會與指北極相吸,而指南極與指南極相斥或指北極與指北極相斥。 ▲▼磁浮列車採用磁鐵的「異極相吸、同極相斥」原理推進。 磁鐵附近會有磁場産生,可以利用磁力線來以形象地描繪磁場分布。磁力線總是從 N 極出發,進入與其最鄰近的 S 極並形成,而在磁鐵內部的磁力線就是由 S 極到 N 極。 從磁浮列車玩具分析原理 磁鐵的應用範圍很廣泛,小型的有開合用的鈕扣、櫃門和馬達,大型的就有磁浮列車。 ▲即使是玩具列車,科學原理仍然是一樣。 而當中的磁浮列車就不斷運用「同極相斥,異極相吸」的磁鐵特性來令列車運作。就以磁浮列車玩具來作基本的解說,要令磁浮列車玩具懸浮在半空,在列車的的底部和懸浮軌道上裝有同極的磁鐵,利用同極相斥的原理令列車浮起。 磁浮列車的車身上裝有一組 N 極的電磁鐵,前後位置被兩個 S 極的永久磁鐵隔夾著,而在推進軌道的外圍就安裝了間段連續的 N 極和 S 極的永久磁鐵作為導引用的磁鐵。 ▲玩具列車和路軌,同樣按照真車的設計原理,安裝了相應的磁鐵。 ▲N / S 兩極磁場,形成「前吸 / 後推」現象,列車就可沿著導軌前進。 當電流流經過列車車身上的電磁鐵時,會產生一個N 極磁場,於是列車會與推進軌道外圍磁鐵的異極間產生一股吸力,而遇到推進軌道外圍磁鐵的同極所產生的排斥力,列車就能藉著前吸後推的動作使磁浮列車玩具前進。 上海磁浮列車設計與運作 上海磁浮列車(SMT)的運作原理亦與列車玩具差不多,只是SMT利用電磁鐵產生吸引力令車輛浮起,同時軌道是以「T」字形導軌設計,列車的兩側下部向導軌的兩邊環抱,以防止磁浮列車在高速行駛時脫離軌道。 ▲磁浮列車玩具仍需要旁邊的支撐,與現實的SMT有點不同。 ▲SMT的導軌和列車結構,可見與玩具磁浮列車有異。 磁浮列車的無接觸懸浮和導向系統是根據電磁吸引原理工作,懸浮磁鐵從下方將列車向上吸向軌道,導向磁鐵則在側向保證列車的行駛軌跡,列車從頭到尾都安裝著懸浮磁鐵和導向磁鐵。而安裝在軌道上的長定子是用來替列車進行供電。 ▲值得留意導軌中央部分的強力懸浮磁鐵,是它們令列車浮起的主力。 在列車車卡下部的內翻部分面上裝有磁力強大的電磁鐵,導軌底部設有鋼板。鋼板在上,電磁鐵在下。當電流流經電磁鐵上的金屬線圈時,能產生磁力吸引鋼板,因而令列車浮起。 ▲▼簡單來講,導軌的「導向磁鐵」用作引導列車前進、「懸浮磁鐵」則令列車浮起。 當吸引力與列車重力平衡,列車就可懸浮在導軌上方的一定高度上。只要改變電流,就能夠改變磁感應強度,使懸浮的高度得到調整。由於列車被浮起,就不會和軌道產生摩擦力,亦解釋到為何磁浮列車比傳統輪式列車有更高速度。 磁浮列車與數學 明白了磁浮列車的原理,現在不妨透過數學計算,了解一下磁浮列車究竟有多快。 ▲SMT來往上海浦東國際機場及龍陽路站(接駁上海地鐵)。 題目1︰磁浮列車以300公里每小時的車速由浦東國際機場站前往龍陽路站,約需6分鐘,問磁浮列車行駛了多少公里? 300 / 60 = 5公里每分鐘 5 x 6 = 30公里 即磁浮列車行駛了30公里。 ▲可以見到列車行駛速度在 301km/h,隨時比高鐵更快。 題目2︰磁浮列車在上午9時至10時45分,以及下午3時至3時45分,均以430公里每小時的車速行駛,問由機場前往市區需用約多少分鐘? 430 / 60 = 7.2公里每分鐘 30 / 7.2 = 4 分鐘 ▲SMT時間表。 不過若細心留意以上的行車時間表,可以發現由機場前往市區最快的兩個時段(即上午9時至10時45分,以及下午3時至3時45分),只需用約 4 分鐘的車程,但為何列車全程的實際所需要的時間不是4 分鐘,而是8分鐘呢? 這是因為以上計算是假設列車一開始的車速是固定,而列車實際行駛時是由靜止開始加速至指定時速,以及由指定時速減速到停止均需要時間。 ▲停泊於上海浦東國際機場站的SMT。 磁浮列車中還有很多不同的STEM元素,只要多思考、多聯想、多閱讀相關圖書及多進行相關實驗,就能繼續發掘很多不同的STEM應用。 內容提供︰STEM Sir 刊載於︰GRWTH app

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VR 真實體驗 體驗真實

真實體驗 STEM活學活用 近年,全球倡議STEM教學,主張同學融會貫通四門學科,包括科學 Science、科技 Technology、工程 Engineering、數學 Mathematics。而不少學校亦精心建設STEM教室,營造一個科學化的氣氛與環境,刺激同學思維,把創意實體執行,去解決生活面對的問題。成功的STEM教學,同學的真實體驗很重要,而VR能提供身歷其境的感覺,所以VR亦陸續成為STEM教室不可劃缺的設備。 事實上,VR虛擬實境 作為21世紀最新教育科技,最能發揮真實體驗的功效。VR提供的三維空間,模擬出一個令人容易投入的真實體驗;而VR透過頭戴式顯示器,將外間干擾降到最少,沉浸功能極強。 體驗真實 提升學習成效 今天,「經驗學習」(Experiential Learning) 是指透過經驗或實行的方式來進行學習,亦即個人通過生活事件而獲得知識或技能。同樣地,「沉浸式學習」(Immersive Learning) 是打造一個極真實、讓人身心投入的學習環境,從而學習或提升技能。兩種學習模式,理念一致,同樣講求真實體驗,效果亦殊途同歸。 VR360影片「初探太陽系」(Titan of Space), 帶同學虛擬參觀太陽系的行星和衛星。漫遊太空後,同學可融合STEM知識,以科學及數學作基礎,把地球與其衛星月球按大小比例及距離計算出來,再配合科技及工程等知識製作成模型;進一步,同學更可構建太陽系八大行星模型。 VR360影片「潛航血道」(Body VR),同學虛擬走進血管內,跟隨血液流動,了解血液如何將養分供應全身的細胞。透過VR,同學對人體構造之奧妙認識更深,並將STEM活學活用,在STEM教室製作血管模型,繪畫大型心臟圖。 VR360影片「南極洲全景探訪記」(Antarctica 360),帶同學走到地球上最寒冷、乾燥及多風的大洲,融會STEM不同學科,同學可探討如何幫助人類能在南極洲存活,包括如何保溫及解決糧食問題。另一方面,同學對能適應嚴寒環境下生長的動物,例如企鵝及海豹,又可加深認識。 內容提供︰VR Educate 刊載於︰GRWTH app

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STEM與智能迷宮機械人

為什麼把智能迷宮機械人放進迷宮內,它能夠在迷宮內不停走動並找出離開迷宮路徑呢?為什麼智能迷宮機械人能夠避開一些障礙物呢?為什麼機械人又能跟隨物件移動呢? 智能迷宮機械人的構造 迷宮機械人的辦事方式和電腦的運作很相似,智能迷宮機械人內部設有輸入、處理、輸出及儲存的裝置,機械人的輸入裝置是紅外線感應器、處理裝置是內置的中央處理器、中央處理器包含了儲存裝置負責儲存要執行的程式,而輸出裝置就是摩打令機械人活動。 紅外線感應的感用 這款迷宮機械人可算是紅外線感測智能互動的六足機械人,已具有「跟隨」與「探索」二種互動模式。 機械人的頭部的左右兩邊各自裝有一組紅外線感應器,每組紅外線感應器配置了一個發射器和一個接收器,當發射器發出的紅外線遇到障礙物時會被反射,接收器就會接收到被反射的信號,即接收器就可以按照是否收到信號來判斷前方是否有物體存在。 在「跟隨」模式下,智能迷宮機械人會按照左右兩組的接收器同時收到信號,來判斷前方有物體存在,以後便會向前進的摩打發出指令,控制機械腳向前行,這樣智能寶比就會成為一個忠心跟隨的小跟班,緊緊跟隨著小主人的行走方向移動; 當轉換為「探索」模式後,智能迷宮機械人會按照左右兩組接收器所收到信號而行動,若果在沒有收到信號的情況下會控制機械腳不斷向前行; 當左邊的接收器收到信號時,便會向前進的摩打發出指令來停止機械人前進,然後會向轉向摩打發出指令,控制機械人的身體向右轉直至左邊的接收器接收不到信號才停止轉動,再繼續前行動作; 當右邊的接收器收到信號時,便會停止機械人前進,然後指示轉向摩打控制機械人向左轉直至右邊的接收器接收不到信號才停止轉動,再重覆前行動作;因此智能寶比便可以偵測到障礙物而避開,開闢自己的行走路徑。 機械中的動力來源 機械人內安裝了兩個摩打,連接著兩組不同的齒輪組來傳遞動力,一組摩打與齒輪組負責控制機械人的六足向前進,而另一摩打與齒輪組負責控制機械人向左或向右旋轉。 機械人之能夠利用六足向前走動是模仿了拐杖移動的方式,再配合槓桿原理和與地面之間的摩擦力所產生的作用力和反作用力而成。 前進摩打的齒輪組帶動連桿以逆時針方向移動,令一組以等邊三角形排列方式的三隻腳一下的接觸地面,另一組的三隻腳會升起離開地面。當連桿繼續轉動時,原來接觸地面的腳會提起,而另一組會與地面接觸,就是這樣運用六足一下一下的向前走。 如果在智能迷宮機械人上加安裝辨識用的鏡頭,再連接人工智能的數據庫,就可以把機械人改裝成人工智能迷宮機械人,只要讓機械人進行學習記錄,就能計算出最快捷破解迷宮的路徑。 內容提供︰STEM Sir 刊載於︰GRWTH app

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氣象冷知識:什麼是雷暴?

雷暴通常出現於春季及夏季,咆哮的雷聲及奪目的閃電是它的特徵。大家又是否知道,究竟何謂雷暴?它是怎樣形成?有沒有辦法預測它們的出現地點和移動路向? 什麼是雷暴? 當一道奪目的閃光突然劃破長空,接著傳來幾聲轟隆巨響,雷暴便發生了。在香港,雷暴常見於春、夏兩季。 ▲拍攝於粉嶺的閃電(照片來源︰陳卓賢先生,香港天文台) 雷暴是怎樣形成的? 雷暴的發展始於溫暖和潮濕的空氣上升。空氣上升的原因很多,例如地面受太陽照射加熱、在低壓槽附近、兩股不同的氣流匯聚或遇上高山而上升等。 當潮濕空氣上升時,空氣中的水分便會遇冷凝結而成為雲。隨著氣流繼續上升,雲層亦發展得越來越高,雲中的水珠也會不斷增長。達到高空時溫度會很低,冰粒也會在雲中形成。當雲頂達到十至二十公里時便形成積雨雲,而雷暴是由積雨雲產生的。 ▲積雨雲的發展

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吸塵機 百年科技沿用至今 發明一刻充滿STEM精神

現今每個家庭總會備有一台吸塵機,協助清潔家居,儼然成為必需品,近年更出現智能吸塵機械人,懂得繞路避開障礙物。不過大家又是否如道,原來這件家庭電器在百多年前已經面世,而當中的科學原理仍然應用至今?更有趣的是發明第一部吸塵機的人,懷著STEM的求知求真精神、用自己的口吸塵?! ▲今時今日,吸塵機是常見的家居電器,但它在百多年前發明的一刻,與近年STEM教育有關。 觀摩產品展示獲得靈感 回家用口吸塵 1901年在倫敦的聖潘克拉斯車站,進行一種新產品「列車車廂清潔機」的操作表演,它能夠吹起灰塵,但結果鼓起的滾滾灰塵,把乘客和圍觀者嚇跑了,令清潔機產品失敗。 就在吹塵器這種產品發明失敗的時候,有一位旁觀者,名叫休伯特.布思(Hubert Cecil Booth),他從表演中得到啟發,他連忙跑回家裡,趴在地板上,用手帕蒙住嘴巴,就向著地面使勁地吸著。 這時候,他的家人還以為他精神失常,正要把他拉起來送去醫院時,他卻喜出望外地宣布:「大功告成!」 ▲旁人以為是失常的舉動,卻催生了吸塵機這種發明。 原來布思發現了一個最關鍵的問題,就是比空氣輕的灰塵,只能用「吸」的而不能用「吹」的方式。與此同時,要達致吸塵效果就要使用一塊濾布,阻隔已經吸進機器內部的灰塵,又能使空氣通過,繼續操作來吸更多灰塵。 觀察能力成就新發明的關鍵 然而,布思發明的第一台吸塵機,這個新發明的體積很大,而且在運作時又會產生很大的噪音,所以又被稱為「吵死人的怪物」。布思在1905年,又發明了一種用電動泵產生吸力的真空吸塵機,並且開始製造及投入市場,世界上的第一台吸塵器就此誕生。 由吸塵機誕生的故事中,可見發明家運用了觀察能力,懂得從人家失敗的經驗學習,當中又利用了逆向思維由吹塵換成吸塵的角度思考,再不斷實驗測試改良從失敗中學習,他的研發精神,正正是今時今日學生透過STEM教育中所學習的技能。 吸塵機結構簡單 扇葉轉動方向決定吸塵或吹塵 吸塵機的基本結構是由電動馬達、扇葉、收集瓶、過濾網四個主要部分所組成。馬達與扇葉接駁,再連接電源形成閉合電路,驅使扇葉轉動。 ▲不論外觀設計如何,吸塵機離不開電動馬達、扇葉、收集瓶、過濾網四個基本結構。 ▲由於結構不算複雜,所以容易在STEM課堂裡製作。 扇葉轉動的方向不同會造出「吹風」和「抽風」的兩個不同的效果,好像一台風扇向前吹就是吹風,而倒轉風扇用就變成能抽氣扇。 怎樣控制扇葉的轉動方向?因為改變進入馬達的電子流動方向,扇葉的轉動方向隨即改變,所以把連接馬達上的正負極電線位置改變,或電池箱的電池正負極方向改變便可。 百年前的吸塵原理始終如一 現代的吸塵機的五花八門,甚至有吸塵機械人,然而吸塵的原理和百年前的大致相同,一樣是透過氣流由高氣壓區域流動到低氣壓區域,從而產生的空氣流動原理,形成吸塵效果。 吸塵機內的風扇將機內的空氣抽出,使機內的氣壓下降。由於瓶口外的壓力較大,外部空氣受壓吸入機內,灰塵和垃圾便隨空氣進入吸塵機。 三個影響吸塵機吸力的重要因素 吸塵機有多強吸力,取決於三個因素︰馬達功率、扇葉面積和收集瓶。 增加馬達的馬力和轉速能夠令抽入空氣的速度增加,加大扇葉的面積亦能增強吸塵機抽入空氣的力度。 收集瓶的空間大小亦是影響吸力的因素,空間大雖然能夠收集更多的灰塵,但就需要利用馬力較大的馬達才能配合運作。 ▲馬達功率、扇葉面積和收集瓶之間能互相影響,決定吸塵機吸力。 現代的吸塵機種類 時至今日,常見的吸塵機是按操作原理及構造來分類,分別是「直立式」、「吸力式」及「手提式」三種。 直立式吸塵機: 直立式吸塵機利用吸力及吸咀內一具由馬達推動的旋轉震動刷進行清潔。吸塵刷的旋轉震動力能把地氈的絨毛撥開,令深藏在內的塵屑污垢鬆脫出來,把它吸起,是清理地氈的上好選擇。配備其他工具,還可作其他清潔用途。 ▲▼直立式設計便於收藏,比較慳地方。 吸力式吸塵機: 吸力式吸塵機馬達馬力較直立式大,單純靠強勁的吸力吸塵,有多種款式,如罐筒型、圓柱型、手攜型、壺型等,都附有一管長喉接駁一系列特別配件,以應付不同工作環境的需要。對於清理地板、傢具、簾帷輕軟細薄的織物墊套,效果較佳。 ▲▼吸力式算是最常見的類型,售價亦普遍較便宜。 手提式吸塵機: 手提式吸塵機的設計就是能夠無線使用,仍能方便使用者可以帶到其他地方使用,例如汽車。一般手提式吸塵機內附充電池,完成充電後便可使用,所以收集器的容易較小,整體重量亦較輕,多以塑膠製造為主。 ▲手提式吸塵機內置充電池,因此能夠無線使用,適合細小房間以及車廂環境。 生活中常見到的吸塵機,原來已蘊藏了很多STEM元素,只要多觀察、多分析及分思考就能學習當中的STEM原理,可見STEM早已與生活共存。 內容提供︰STEM Sir 刊載於 GRWTH app

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STEM教學之太陽能大眼蟲

在STEM教學裏面,經常強調學生要懂得認識及運用可再生能源,不過學校又不是大型發電廠,怎樣令學生能夠學習及應用得到?其實有一種可再生能源就是「遠在天邊,近在眼前」︰太陽能,大家每天一早起床都會出現在你面前。今次就分享透過製作太陽能大眼蟲,實際運用這種可再生能源。 太陽能電池的發電原理 由身邊的一切事物開始進行探索,就是STEM學習中培養學生建立觀察和自主學習的能力,由學習太陽能這種可再生能源就是一個好的開始。大家都知道太陽會給人們光和熱,能夠替人類照明和給予溫暖,因此只要懂得運用太陽能,就能夠替環境保護出一分力。 接著就是了解太陽能電池。它是一種經由太陽光照射後,把光能轉換成電能,這種現象稱為光伏效應。它是利用太陽光直接發電的光電半導體薄片,在半導體的材料加入硼可形成 P 型半導體,加入磷可形成 N 型半導體。 P和N兩型半導體結合後,當太陽光射入光電半導體薄片時,就會令半導體中的電子流動而產生電流。 太陽能大眼蟲的齒輪運用 明白了太陽能電池的製造和運作原理後,就可以著手製作太陽能大眼蟲,並用太陽能推動它。 太陽能電池的正極及負極分別與小型摩打連接,而摩打上裝有一個小型的8齒齒輪,與一個與8齒齒輪垂直的較大圓錐齒輪連接。當馬達轉動時,細齒輪推動大齒輪轉動,這樣不僅增加扭力,同時能夠改變力的運動方向。 大圓錐齒輪的身上的細齒輪與另一大齒輪連接,而另一大齒輪身上的細齒輪,又與其他的大齒輪連接,組成一連串的齒輪組,這樣組合的齒輪組能夠使馬達的扭動力和轉速提升,增加了小型馬達的效能。 利用旋轉小腳協助前進 太陽能大眼蟲由五個齒輪連接,當中一個齒輪向順時針方向轉動時,連接著的另一個齒輪會以相反方向轉動,而大眼蟲小腳分別安裝在第一、第三及第五個齒輪的中軸上,就是要確保大眼蟲的腳是向同一方向轉移。 每個齒輪上的每組腳會有三隻小腳,而腳上套了小鞋,形成一個旋轉對稱圖形,在每組腳旋轉一周就會有三隻小腳上的鞋與地面接觸。當鞋與地面接觸時會產生摩擦力,令大眼蟲向前移動。 燈光對大眼蟲的影響 太陽能電池很受光線強弱的影響,陰天的光線,不足以令光電半導體薄片產生電子,在沒有電流產生的情況下,小型馬達轉動亦不能轉動。 在室內的環境下,可以利用鎢絲燈泡的電筒照射太陽能電池,光電半導體薄片產生足夠的電子電流,並推動小型馬達。 當然在陽光充足的情況下,太陽光照射太陽能電池令光電半導體薄片能夠產生更多的電子,電流足以令小型摩打轉動更快。 我們可以利用光照射手掌產生的影子來判斷陽光是否充足,如果能夠清楚看到手掌影子的邊緣線條就代表陽光充足,假若手掌影子的邊緣線條模糊就表示陽光不足,太陽能大眼蟲可能移動緩慢或不能移動。 玩具不單只是小朋友玩樂的工具,而且也可以是學習的工具,從玩樂中進行學習有助小朋友增強聯想及應用知識的能力。 文章來源:STEM Sir 刊載於 GRWTH app

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STEM應用之小小天文台工程

香港天文台每時每刻在不同地區,收集有關天文的不同數據,對天氣變化進行觀察、分析及預測,把資料整合後就向市民發放天氣報告,供大眾安排戶外活動時作參考之用。一切均關乎複雜的科學數據,但其實大家可以透過在 STEM 課堂裡所學到的知識,自己動手搭建一個小小天文台! 天氣數據由多項元素組成 在動手自設小小天文台之前,有必要了解天氣數據是甚麼一回事。天文台一般會收集的當地天氣數據包括:溫度、濕度、風速、光度及水位等資訊。 溫度是表示物體冷熱程度的物理量,溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量,而量度物體溫度數值的標尺叫溫標,常用的有攝氏溫標(°C)和華氏溫標(°F)。 ▲天文台最基本收集溫度、濕度、風速、光度數據。 濕度是空氣中水蒸氣的含量,會以百分比(%)作為單位。不過要留意天氣報告以至天文台,同樣會用「相對濕度(Relative Humidity)」。原因是氣溫不同,濕度也有異。在當前的氣溫之下,空氣裏的水分含量達至飽和,相對濕度就是100%。 風速是指空氣相對於某一固定地點的運動速率,量度單位會以米每秒(m/s)或公里每小時(km/h)。光度也指發光強度,即表示光源給定方向上單位立體角內發光強弱程度的物理量,單位為燭光(cd)。 天氣數據有什麼用途? 不同的天氣數據一直影響我們的日常生活,最明顯亦最易理解就是溫度數據,它會影響大家出外時選擇穿著什麼衣服,在溫度高的天氣下就會選擇短袖或質料較薄的服裝,而在溫度低的天氣下就會選擇長袖或質料較厚的服裝。 至於在濕度高的天氣下,會影響衣服晾乾的速度,換言之要花較多時間才能晾乾。相反在濕度較低的環境下,衣服晾乾的時間較短。另外在濕度高的環境下,細菌也會變得容易滋生,有呼吸系統疾病的人就儘量減少外出。 至於更詳細而複雜的天氣數據,甚至預測到熱帶氣旋襲港的移動路徑,可讓市民做好預防措施及更改活動安排。 收集天氣數據的不同工具 收集天氣數據需要不同的工具,例如量度溫度會利用溫度計,量度濕度就要使用濕度計,以於測量風速要用風速計,而量度光度就需要用到測光儀,量度水位則利用量杯。 ▲濕度計用以量度濕度。部分熱愛攝影的朋友,經常配備附有濕度計的鏡頭/機身儲存櫃。 ▲相信大家對溫度計不會感到陌生。 ▲一般來講,風速計在家居環境較少見。 ▲與風速計差不多,測光儀亦比較少見於家居環境。 自製小型天文台 明白了天氣預測所需要的元素,我們就可以著手以 STEM 知識,自己動手搭建一個小小天文台。材料包括溫度濕度感應器、光度感應器、紅外線感應器及水位高度感應器接駁ObjectBlocks、Arduin的電路板。 ▲▼ObjectBlocks電路板。 小型天文台更裝有不同的馬達伺服器,負責控制轉動板顯示實時狀態,加上安裝了電子顯示屏實時顯示溫度和濕度的數據。 ▲溫度/濕度感應器。 ▲光度感應器。 ▲風速就用紅外線感應器偵測。 ▲水位高度感應器,配合一個杯就可以量度水位高度及雨量。 連接了不同顏色的LED,再配合編程就能顯示不同程度的風速。與此同時,電路板又能把不同時段的數據收集並傳送上雲端,令小型天文台能夠在課堂中展示及用於教學。 ▲▼透過編程,可以令不同顏色的LED,顯示風速強弱。 ▲數字顯示小小天文台所在地氣溫。 由於能夠利用雲端收集天氣數據,只要在學校不同位置放置小型天文台,進行天氣數據的收集,學生就能夠利用學校大數據進行分析,利用物聯網及智能家居的概念控制不同電器的使用時間,有助替學校想出不同的節能方案。 ▲可以見到擺放在不同的環境,氣溫也有異。 ▲整個製成品就是這個模樣,只要活用STEM裡所學到的知識,實在不難製作。 利用小型天文台培育學生建立整合數據資源的能力,除了能夠學習課堂書本中的知識外,又能動手做接駁不同感應器、電腦板及其他輸出裝置,再配合編程,正是鍛鍊學生建構「超架構組織」的能力以應付未來工作需要。 內容提供︰STEM Sir 刊載於 GRWTH app

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