STEM活動課堂「飛行夢想」——四軸飛行器 12/11/2019

STEM午間活動「飛行夢想」來到第三天,今天的主題是探討四軸飛行器。

四軸飛行器(Quadcopter),故名思義,是使用四軸旋翼提供升力的飛行器。四軸飛行器與直升機同樣是利用旋翼(螺旋槳)推動,不同的是直升機通過調整主旋翼的角度前進,通過垂直的尾旋翼來抵消主旋翼的反作用力及調整角度,而四軸飛行器只有四個固定在水平角度的螺旋槳。那麼,四軸飛行器如何調整飛行的角度呢?原來,四軸飛行器通過調整不同旋翼之間的相對速度來調節推力。例如,如果想要令四軸飛行器往前飛行,就要減少前方旋翼的動力,增加後方旋翼的動力,飛行器就會向前傾斜運動。

在本次活動中,同學們嘗試以直接操縱和編程操縱兩種方法,控制四軸飛行器的飛行。

STEM活動課堂「飛行夢想」——製作螺旋槳飛機 8/11/2019

STEM午間活動「飛行夢想」來到第二天,今天的主題是製作螺旋槳飛機。

爲甚麼螺旋槳能爲飛行器提供動力呢?這是因爲螺旋槳槳葉「前仰後彎」的形狀,根據白努利定律造成氣壓的差異。根據牛頓第三運動定律,螺旋槳通過將空氣向後推,空氣的反作用力爲飛機獲得向前動力。

在今天的活動中,同學們在裝上螺旋槳的木質骨架上加上上次活動設計的機翼,將自己的設計付諸實踐。

 

STEM活動課堂「飛行夢想」——設計機翼 6/11/2019

STEM午間活動「飛行夢想」開始了,這次我們將會探討航空科學與科技。

固定翼的飛機為甚麼能夠飛行呢?自古至今,科學家提出了三套相關的理論:

1. 牛頓第三定律:物體受外力作用時,必定產生反作用力於施力者,作用力與反作用力大小相等,方向相反 。機翼對空氣施加力往下推,空氣將機翼還以反作用力往上推。

2. 白努利原理(Bernoulli’s Principle):流體(氣體或液體)流速越慢,壓力越大 。因爲機翼形狀與投擲角度的緣故,機翼上方的空氣流速較快,壓力較小,上下壓力差令飛機獲得升力。

3. 寬達效應(Coandă effect,又名附壁效應):流體(氣體或液體)有離開本來的流動方向,改為隨著凸出的物體表面流動的傾向。氣流離開上翼凸出表面時往下,形成向上的反作用力。

在本次活動中,同學們首先製作摺出五花八門的紙飛機,探討紙飛機外型對飛行過程中的影響,然後使用Wind Tunnel App 模擬風洞實驗(以人造氣流方式測試氣流對該外型的氣動效應,常用於製作汽車及飛機的過程),設計屬於自己的機翼。

 

STEM活動課堂「手工化學」——香薰蠟燭 14/10/2019

STEM午間活動「有機化學」來到最後一天。今天的主題是製作香薰蠟燭。

在談製作香薰蠟燭之前,我們首先要想一個問題:到底甚麼是蠟?其實蠟是一個泛稱,指擁有複數烷基的有機化合物。市面能夠買到的蠟燭多以石蠟為原材料,這是提煉石油的副產品之一。我們本次活動使用的則是蜂蠟,這是蜜蜂製作蜂巢的原材料,含有複數長鏈脂肪酸。

第二個問題,為甚麼我們燃燒木炭或其他燃料時,會整塊木炭燃燒;但點燃蠟燭的時候卻不會整根蠟燭著火?原來,燃燒是一個劇烈的化學反應,需要火三角:燃料、氧氣與熱,而蠟燭能夠持續燃燒的關鍵是中央的燭芯,由吸收性強而燃點低的物料造成。當點燃蠟燭時,燭芯周圍的蠟首先熔化。液態的蠟通過毛細作用沿着燭芯往上移動,在火焰中氣化並進行燃燒作用。氣化的蠟燭吸收了熱能,令燭芯不能達到燃燒點,不會一下子燒沒燭芯。

當製作香薰蠟燭時,我們會加入香薰精油。香薰的香味來自植物精油中的揮發性化合物:酯類(Esters)或芳香族化合物(Aromatic Compounds)。精油在製作香薰蠟燭時加入熔化的蠟中。點燃蠟燭時,精油亦通過毛細作用沿燭芯往上移動,當中的揮發性化合物隨着熱空氣揮發,散發香味,起安神或提神的作用。

STEM活動課堂「手工化學」——製作肥皂 11/10/2019

STEM午間活動「手工化學」來到第三天。今天的主題是兩種童年玩意:彈力球與史萊姆。

彈力球擁有強勁的彈性,而史萊姆能夠自由變形及重新融合。乍看之下看似兩種截然不同的物質,但我們可以使用同樣的主要原料構成它們:膠水和硼砂。為甚麼?

物質的相(固態、液態、氣態)是由分子之間的鏈接決定的。若分子間的作用力較弱,令分子能夠在一定範圍活動,則物質有固定的體積,但形狀不固定,即為液態;若分子間的作用力強,分子不能自由活動,則物質有固定的體積與形狀,即為固態

膠水的成分之一是聚乙烯醇。這是是一種由上萬個乙烯醇連接而成的高分子聚合物,它具有極性且能與水形成氫鍵,溶化於水並製成具粘性的膠水。當我們將硼砂加入膠水,硼砂能解離出四羥基硼離子([B(OH)4]−)並與聚乙烯醇形成交鍵。形成交鍵的聚合物吸引力更強,分子不能自由活動,形成固體。通過調整膠水(聚乙烯醇)與硼砂的比例,我們可以製作具備不同特性的彈力球、史萊姆或「鬼口水」。

STEM活動課堂「手工化學」——天然蚊怕水 9/10/2019

STEM午間活動「有機化學」來到第二天。今天,我們來研究以下遠足必備良物:蚊怕水。

蚊怕水的主要成分是DEET,能夠干擾蚊蟲的感官及神經系統。然而,DEET具備一定程度的神經毒性,且有造成皮膚疾病的風險。我們可以使用香茅精油調配天然蚊怕水,不過需要注意下列事項:

  1. 市面常見的香茅精油為高濃度的原液,不能直接用在人體上。我們要按照1:10或1:100的比例稀釋香茅精油。
  2. 水與油不能混合。我們需要使用食用乳化劑或酒精,令水與精油更易混合。 

STEM活動課堂「手工化學」——製作肥皂 8/10/2019

這一期STEM午間活動的主題是「手工化學」,我們會運用化學知識,手工製作各種作品。今天的主題是製作肥皂。

肥皂的分子結構分為兩部分:它的頭部是有極的COO-,具備親水性;而尾部是和油類似的非極性碳鏈,具備厭水性(或稱親油性)。當使用水與肥皂接觸油污,肥皂的尾部吸附油污,而親水的頭部溶於水中。這個反應形成油微滴並令其均勻地分布在水中,容易被清洗乾淨。脂類與鹼性溶液(例:氫氧化鈉水溶液)結合,便會進行皂化作用,形成脂酸鈉(皂)與甘油。

由於反應需時,而且鹼性溶液具腐蝕性,我們改為使用已調配好的皂基。將皂基隔水加熱至熔化,然後倒進矽膠模具,冷卻後便能製成手工肥皂。

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