2021年1月11日 星期一

基本電路連接與測量

電學如果只剩計算和考試...

已經連續好幾年的電學介紹完電壓、電流、電阻的定義之後
每節課都是在實驗室中渡過
今年不玩電流急急棒
直接給任務接出電路
器材自己拿,過程自己組去討論


















我們的腳踏車王子又感興趣了
請他上來畫出連接的方法讓大家觀摩
再比較你自己和其他組畫出的連接
看不懂嗎?這時就要轉化為標準電路圖了
中間的過渡就是希望學生體會到符號使用的重要性
並觀察串聯與並聯的差異

最後測量LED的電壓和電流
並算出電阻
比較各組的數字幾乎都不同(非歐姆導體)
再從這邊引出歐姆定律的概念













這次掙扎地考慮到底要用標準伏特計、安培計來測量
還是直接用三用電表
考量考試的出題型式,還是決定先讓學生練習標準指針式的電表
「我們再來做一個三用電表的實驗好嗎?」寫完實驗報告之後我問學生
「老師~~可以了!夠了!讓我們休息一下吧...」學生已經做實驗做到快崩潰了
但問他們要不要調整上課的方法(書面不記名)
又一堆人希望保持目前的模式
真是讓人精神錯亂啊~~


2021年1月10日 星期日

影響電阻的因素

一般我們簡單的形容電阻(resistance)會說是所有在電路中消耗電能的阻礙因素
當然對初學來說這樣形容也沒什麼不好
但更好的名詞應該是阻抗(impedance),包含電阻與電抗
因為在電子電路中更多時候消耗(儲存)電能的其實是感抗和容抗(合稱電抗,reactance)
單純電阻產生的阻抗通常來自導體,以熱的形式出現
原因很難單一分離
因此用了數學定義,電壓和電流的比值

但在物理上我們還是希望可以針對同一個導體,將變因單獨抽離來討論(現實世界幾乎是不可能的)
因此出現了長度、截面積、溫度等變因
但溫度在國中已經刪掉
這對理解真實世界的情況會有很大的影響
畢竟所有導體通電後一定會升溫,只是程度的不同而已
所以我還是一併跟學生說明

歐姆定律便是一例
根據定義,歐姆定律的前提是溫度不變
Ohm's law states that the current through a conductor is directly proportional to the voltage across the conductor. This is true provided the temperature (and other physical factors) remain constant. The constant of proportionality, R,R is the resistance and has units of ohms, with symbol \Omega,Ω. The relationship can be written as:
V, equals, I, R.  V=IR
(https://isaacphysics.org/concepts/cp_ohms_law)

我們利用可調電源做出了這樣的結果



再畫出V-I的圖形,呈現漂亮的線性關係
大部分到這邊也就結束了
「老師~~,可以是我算出來不是定值耶...」有學生很閒的算出數值
「太棒了!有人發現了一個天大的祕密」
「我們通常利用V-I的圖形來判斷是否成正比的關係,但有些細微的變化可能還是看不出來,這是圖形本身的極限...」
我們將幾個數值轉換成電阻,如下

「越來越大啊~~」學生驚呼
「是的,其實一般燈泡也是不遵守歐姆定律,因為燈泡通電後其實溫度會上升很多」
「所以電阻會變大...」學生很快可以接上,因為溫度對電阻的影響我們是有示範過的
「但變化並沒有像LED那麼誇張,因此我們還是會用遵守歐姆定律的情況來初步判斷通過燈泡的電壓或電流...,雖不中亦不遠矣~~」

科學好難
人生更難...

2021年1月8日 星期五

吹氣控制開關

幾年前孫館長在許多場合都秀過一個有趣的燈
吹一下就會開燈
女兒還曾經被孫館長邀上台去幫忙過~~

為甚麼會這樣?
方法(sensor)可以很多
吹氣是表象,吹氣造成的物理量改變才是主因
那吹氣可能造成那些物理量的改變?
壓力?溫度?濕度?
每一個變因都可以設計一個實驗來測試
這才是孫館長要強調的重點

我也想要一個~~
最簡單的方法就是溫度
之前做溫度與電阻的實驗就已經測試過燈絲對溫度的影響很明顯
這就是我的開關了
和一個小燈泡串聯,原本電能主要提供燈絲發熱(但不會熱到發亮)
吹氣降溫後電阻下降,小燈泡就會亮了



但這無法保持一直亮,所以只能當「開關」
這個開關控制一個IR接收器的電阻,
把這兩個用熱縮套固定在一起,其實就是光藕

IR接收器再去控制4017pin14的電位
就可以開關pin2
pin15和pin4相接,就變成單鍵控制的開關
IR收到小燈泡的短暫亮光就會長時間開啟閃光LED
再吹一下就會熄滅

電路圖如下

成品像這樣







影片如下

說穿了很簡單
但前後卻醞釀了好幾年的時間
知識的可貴就在這裡了~~

2021年1月4日 星期一

自製簡易單筒(天文)望遠鏡

 這東西之前就用PVC管做過
最近要變成DIY的活動
希望可以動用的工具越少越好
所以就改為用PP板來組合
物鏡用市售的放大鏡,焦距約26公分
目鏡要短一些,就用紙望遠鏡物鏡來做(焦距約10公分)

光學路徑之前也模擬過

遠處的物體光線會接近平行
因此桶身至少要一倍焦距以上
後段的長度就隨每個人眼球和目鏡的焦距來微調
原則上拉個10~20公分也就足夠

所以裁出需要的PP板
前段內徑6公分,符合透鏡的大小
中段外徑6公分,剛好可以插入前段
後段外徑5公分,可以插入中段,但不要太緊

出來像這樣






伸縮桶身就可以調焦距
出來的影像為上下顛倒、左右相反


目徑也可以用兩片凸透鏡再拉高倍率
基本上是可以有實用價值的


2021年1月2日 星期六

修復側壓式自動鉛筆

這支Pentel的側壓式自動鉛筆很好寫
筆芯不容易斷,上面又可以容納大量的筆芯
但不知哪一天按鍵突然不見了??
就這樣放了好久

側壓按鍵配合內部的斜面就會產生一個向下的分力


所以其實還是跟傳統的一樣要將筆身下壓
那就改為傳統式的吧(總比不能用好)

拿一支空心氣球桿,裁成合適的長度
上方用鉛筆的橡皮擦剛剛好可以塞入又不會太緊
前端插上一根牙籤就可以和氣球桿結合
氣球桿夠寬,也可以放入不少支筆芯
就先這樣了,可以再戰好幾年






電子元件的包裝袋秘密

很多電子模組都會用這種黑色半透明的包裝袋 為什麼要用這種特殊的包裝袋呢? 用一般的PE袋或PVC袋不行嗎? 這就要回到電子電路的工作原理來說了 傳統電路主要靠電流來控制電路 電子電路則是靠電壓來控制 (這麼粗略的說法一定會被罵,但無法在三千字內說清楚就乾脆不說了,有興趣研究的可以...