大灣區STEM卓越獎2020頒獎典禮 19/9/2020

STEM：聲音感測與音樂盒

聽覺器官

• 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。

• 長梳與短梳，哪個能發出較高的聲音？為甚麼？

發條

• 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。

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——作用力與反作用力大小相等、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？

（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。

(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。