STEM:聲音感測與音樂盒

聽覺器官

001

  • 動物通過聽覺器官感知聲波。
  • 人類的耳可以分為三個部分:外耳、中耳及內耳。
外耳 耳在體外可見的部分,收集聲波(部分動物的外耳有動耳肌,外耳可以運動)
中耳 鼓膜與聽小骨將聲音傳送至耳蝸,通過液壓與槓桿原理放大聲波
內耳 耳蝸充滿液體,接受聲波的撞擊後移動,刺激感受細胞受刺激,將聽覺訊號發送至大腦

另外,內耳亦包括平衡身體感覺的半規管

 

  • 思考題:動物為甚麼會有一對耳朵?

 

音樂盒

  • 音樂盒通過發條鏈環帶動圓筒旋轉。
  • 圓筒上的凸點撥動長短不一的敲嚮音梳,令音梳發出聲音。

002

  • 長梳與短梳,哪個能發出較高的聲音?為甚麼?

發條

003

  • 發條是螺旋帶狀的金屬扭力彈簧。
  • 當我們上緊發條時,___能轉換為___能。
  • 當發條鬆開時,___能轉換為___能,帶動齒輪旋轉。

 

 

STEM micro:bit 智能車輛競賽活動比賽結果

班別學號 路線完成度

(10分)

燈光效果加分

(2分)

聲音效果加分

(2分)

總分

(14分)

1B05 10 2 2 14
2A20 10 1 2 13
2B33 8 2 2 12
1B02 10 0 0 10
1B18 8 2 0 10
1B25 8 2 0 10
2B15 10 0 0 10
2B29 10 0 0 10
2D20 10 0 0 10
2D22 10 0 0 10
1B23 8 0 0 8
1C22 8 0 0 8
1C23 8 0 0 8
1B16 2.5 2 0 4.5
2A24 2 2 0 4
1B22 2.5 0 0 2.5
1B24 2.5 0 0 2.5
1B26 2.5 0 0 2.5
1C33 2 0 0 2
1C26 0 0 0 0
2B18 0 0 0 0

STEM:聲音的科學與科技

聲波與振動

  • 聲音來自物體的振動,通過介質傳遞到我們的感觀。觀察高音與低音的不同。
  • 實驗:在揚聲器上放上鋁箔(「錫紙」),光亮面朝外,在地上鋪好報紙,然後在揚聲器上放米粒或沙粒。播放音樂後,觀察顆粒的變化。 

聲量與分貝

  • 聲音與振動能量可以使用分貝(dB)量度。
  • 分貝並非線性量度單位:40dB所包含的能量不是20dB的兩倍!
  • 分貝每相差10dB,能量相差10倍!
  • 計算題:40dB所包含的能量是20dB的_______倍。

聲音傳遞與隔音物料

  • 聲音來自物體的振動,而傳遞需要介質。
  • 思考題:我們可以如何進行實驗,證明氣體、液體和固體能過作為聲音傳遞的介質。
  • 我們可以使用隔音物料阻隔聲音的傳遞。
  • 隔音物料可用來製造隔音耳機、高速公路旁的隔音屏障及雙層玻璃窗。
    • 隔音耳機可以減少外間的聲音影響,保持音質。
    • 高速公路旁的隔音屏障可以減低車輛的噪音對附近民居的滋擾。
    • 雙層玻璃窗可以減少大廈外的聲音進入室內。

 

 

測試物料的「隔音效能」

 

  1. 將紙筒放近的耳邊。
  2. 開啟發聲器,並將聲源放近紙筒的另一端,聆聽音量。
  3. 用瓦通紙阻隔聲源,須將瓦通紙盡量貼近紙筒。(如右圖示)
  4. 聆聽聲源被瓦通紙阻隔後的音量。
  5. 更換其他物料,並重覆步驟1至4。
  6. 比較聲源被三種物料阻隔後的音量,記錄結果,並推論物料的「隔音效能」。
物料 瓦通紙 棉花 鋁片
 

音量

1 – 音量最低

5 – 音量最高

隔音效能 高 /中等/ 低 高 /中等/ 低 高 /中等/ 低

 

智慧城市:STEM創新科技在公共衛生上的應用——無人機

當我們考慮智慧城市的概念時,往往需要顧及到城市人口密集,地形複雜的問題。而能夠從天而降的無人機,能夠以立體上下的角度解決問題。

無人機泛指一切無搭乘人員的飛行載具,而城市中運用的無人機,需要考慮自由升降,長時間滯空等問題。以常見的四軸飛行器(quadcopter)為例:

四軸飛行器搭載了四個螺旋槳。螺旋槳槳葉「前仰後彎」的形狀,造成氣壓的差異。當螺旋槳旋轉時,會將空氣推向一個方向。

未命名

上圖中,當螺旋槳順時針旋轉時,會將空氣推向前方(伸出熒幕的方向)。

根據牛頓第三運動定律,當兩個物體交互作用時,彼此施加於對方的力——作用力反作用力大小相等、方向相反。以上圖為例,當螺旋槳對空氣施加向前(伸出熒幕的方向)的作用力,空氣會對螺旋槳施加向後(進入熒幕的方向)的反作用力。

四軸飛行器通過四個旋翼互相抵銷反作用力,並且透過不同的升力,來實現不同的運動。兩兩對角的螺旋槳轉向剛好相反,透過這種配置,來互相抵銷旋轉上的力矩,在已經平衡的情況下,同時增加或減少四個旋翼的推力的話,可以做出上升與下降的動作;而同時增加或減少相鄰的兩個旋翼的推力,可以做出前後左右運動的動作;同時增加或減少對角旋翼的推力時,則可以做出順逆時針旋轉的動作。

複雜的飛行運動,則通過多個上升、下降、前後左右、順逆時針旋轉的運動組成。

那麼,在公共衛生方面,無人機在智慧城市抵抗疫情這個層面,能夠發揮甚麼功用呢?以下列出一些現存的例子。

1) 結合無人機與編程技術,可以令無人機從高空按指定路線飛行,由上而下監察路面交通情況,規劃出最適合運送醫療物資的路線及行程表,避開交通堵塞,讓醫療物資在第一時間運送到最有需要的地方。

2) 通過安裝攝影機及揚聲器的無人機,巡查村鎮及社區狀況,並提醒當地居民做好安全措施。

3) 大型無人機可以用於噴灑農藥。在疫情期間,部分農業無人機被改裝,用於大規模噴灑消毒藥水,進行社區消毒。

(國內使用無人機提醒村民戴口罩出門)

(無人機空中“消殺”防疫)

題目

  1. 四軸飛行器的螺旋槳通過旋轉來產生向上的升力。如果一台四軸飛行器後面的兩個螺旋槳旋轉,但前面的兩個螺旋槳停止,這台四軸飛行器會向哪個方向飛行?
  2. 有一個「竹蜻蜓」,它的螺旋槳每旋轉一次能推進「竹蜻蜓」0.1cm。若螺旋槳每分鐘轉動3600圈,求「竹蜻蜓」的推進速度。
  3. 除了上述的三個例子,設計一個將無人機應用在公共衛生或/及抵抗疫情的方案。[提示:可以為無人機安裝新的部件或系統]

酒精「啫喱」與食用啫喱

警告:酒精「啫喱」含有工業酒精,不能食用!

在談及酒精消毒液時,我們經常會將黏性的酒精消毒產品稱為酒精「啫喱」。不過,酒精「啫喱」和真正的食用啫喱又有甚麼不同?

酒精「啫喱」

當我們說酒精「啫喱」時,其實是指它具備啫喱一樣黏性的特質,並不代表它是真正的啫喱。

那麼,酒精「啫喱」的黏性特質,又是從何而來呢?原來,我們製作酒精消毒液時,會加入甘油(glycerol)。甘油是無色、無味、黏性的液體,也是酯質中甘油酯的骨架成分。在酒精消毒液,食用甘油作為附加成分有以下好處:

  1. 增加黏性,讓揮發性的酒精能夠停留在皮膚上更久。
  2. 甘油具有吸溼性,能夠一定程度起潤膚的作用。
  3. 成本相對便宜,無毒性。

食用啫喱

食用啫喱是一種容易製作的甜品,同學們有試過自己製作啫喱嗎?只需要將市面買到的啫喱粉按照產品指示,將啫喱粉與熱水攪勻,加入果汁(部分啫喱粉成分已經加入果汁),冷卻後就能食用。

那麼,問題來了:為甚麼將粉末狀的啫喱粉加入熱水,就能形成膠狀?

2019-10-10_22_15_43_Gelatin_from_a_single_opened_cup_of_Jell-O_strawberry_gelatin_snack_being_lifted_by_a_spoon_in_the_Franklin_Farm_section_of_Oak_Hill,_Fairfax_County,_Virginia

(圖片來源:Wikimedia)

其實,啫喱粉的主要成分是食用明膠(gelatin)。明膠的原材料是動物體內的膠原蛋白,是一種構成動物皮膚及骨頭部分結構的結構性蛋白。

Collagentriplehelix

(膠原蛋白的三螺旋結構。圖片來源:Wikimedia)

當我們將啫喱粉加入熱水時,熱水會破壞明膠螺旋分子之間的鍵,解開它的結構,這就是蛋白質的變性(denaturation)。當熱水重新冷卻時,明膠螺旋分子會重新凝固,但中間會形成大大小小的水泡,形成啫喱獨特的彈性膠狀結構。

練習:

學過酒精「啫喱」和食用啫喱的分別,我們不妨嘗試按照製作方法,製作屬於自己的酒精「啫喱」;又或者使用市面上的啫喱粉,在家長陪同下製作食用啫喱,為逐漸變熱的天氣準備好消暑甜品。

智慧城市:STEM創新科技在公共衛生上的應用——醫療機械人

病人在醫院需要各類照顧,各地醫院均有醫護人員人手不足的現象,且醫護人員一時不慎接觸病人,可能導致交叉感染。在這個時候,在醫院配置機械人是一個不錯的選項。

使用機械人有以下的優點:

  1. 機械人本身不會感染細菌或病毒,不會導致交叉感染。(註:細菌或病毒可以附著在金屬表面存活一段時間,所以用於醫療的機械人會有一層特殊的塗層,並需要定時消毒)
  2. 機械人不會疲勞,能夠長時間活動。
  3. 機械人可以代替一些工作,減低醫護人員負擔,讓醫院中的人力資源重新分配到更適合的層面。

在對抗新型冠狀病毒的疫情中,機械人被應用於部分地區的醫院中。根據報導(連結),武漢雷神山醫院配套了醫療機械人,可以用於運送醫療物資、送餐、消毒(包括對自己消毒),並且有自動識別人群及避開障礙的功能,在醫院中行動自如,協助當地醫生對抗疫情。

(雷神山醫院使用醫療機械人)

題目

  1. 醫療機械人有甚麼優點?有甚麼缺點?
  2. 機械人的反應系統由感測器(探測刺激)、處理系統及反應器(對刺激做出相關反應)組成。嘗試以合適的感測器和反應器,設計一套讓醫療機械人無須操縱也能自行避開行人和障礙的系統。

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