2018年10月16日 星期二

立體磁力線

作了近二十年的教具
有些早已淘汰不用
有些不斷改良
但有些就是經典不敗
立體磁力線就是其一

不過已經黑到很難觀察了


後來授權給某書商開發成教具
結果就變成三間都有了...


不管怎樣,這就是一個直觀的實驗
最近發現把光泉加上塑膠試管就薑薑好了!!
啥事都不用做~~






這是單一條磁鐵

這是兩段磁鐵相吸

這是兩段磁鐵相斥

光傳輸的開發歷程

這是我自己持續好多年的一個有趣的探究歷程
最近有一些人又提起
我就花了一些時間將來龍去脈整理了一下
------------------------------------------------------------
一、前言
將聲音訊號轉換為光訊號傳輸是一個非常有趣的主題,也很容易吸引民眾或學生的目光,約十多年前開始接觸到這個主題就被深深吸引,隨著自己實驗技巧與相關電學知識的增進,也更加深入了解內部的轉換機制並改良為真正實用的裝置。這個過程其實就是一個獨立研究的歷程,在現今教育現場不斷強調探究與實作的教學模式中,若老師本身可以有許多這樣的經驗,相信也可以在教導孩子的過程中,感受到更多更深層的感動。

二、相關原理說明
一般我們利用喇叭產生聲音,主要是利用和聲音相對應的電流訊號(頻率和大小)來產生電流磁效應,進而驅動喇叭的薄膜產生震動,若此時我們利用這個電流訊號驅動LED燈,LED燈就會對應這個電流訊號產生明暗的變化(以下稱為發射端),我們再利用太陽能板將這個光訊號再轉換為電流訊號,就可以透過擴大機聽到這個光訊號的聲音(以下稱為接收端),相對來說,我們就利用光線來作無線傳輸了。
光源的選擇一定要用LED,不能用鎢絲燈,因為光源的明暗必需精準地對應聲音(電流)訊號,若用鎢絲燈反應太慢(加熱、散熱都需時間),因此半導體類型的發光裝置才是光傳輸光源的首選。

三、開發歷程
(一) 初次嘗試,發射端利用擴大機增加電壓
若我們將LED接上耳機線,直接插入手機(任何播放裝置)通常LED都無法驅動,因為一般耳機的輸出電壓都太低,因此需要利用某些類型的擴大機才能將電流訊號提高電壓,一般說來上課用的簡易型擴音機效果都不錯,因此筆者嘗試直接將教學擴音機的喇叭輸出端引出,並接上單音座,就可以方便將電流訊號直接驅動LED燈,接收端同樣將太陽能板插入另一台擴音機的麥克風插孔中,就可以將太陽能板接收到的光訊號再轉變回聲音了,這就是最初的光傳輸型式。
但這樣的模式除了需要兩部擴音機(擴大機)之外,電壓變動範圍過大也使得LED在某些電壓較低的時候無法驅動,導致聲音在某些時候會斷斷續續,傳輸的效果就大打折扣了。
 
參考資料:
1.無線光傳輸最初版
http://l0930984547.blogspot.tw/2011/01/blog-post_33.html
2.改裝擴大機
http://l0930984547.blogspot.tw/2017/06/blog-post_15.html
3.光傳輸的原理與限制
http://l0930984547.blogspot.tw/2017/01/1.html

(二) 加入電晶體,改良發射端的明暗
要改良電壓不穩定,又要讓LED的明暗隨著聲音的大小與頻率,就要讓電壓固定,改變電流的大小,所以利用電晶體的B極當作音源輸入,在C、E端不但可以藉由外接電源提高電壓,產生的電流也可以隨著B極的輸入而改變,傳輸的效果馬上提高許多,幾乎和原本的聲音一模一樣了。
但因為驅動LED的電壓至少需要2V以上,B極的輸入端依舊無法直接使用手機訊號的輸出,還是要用擴大機加大電壓後,才能和CE端的相對高壓搭配(直接用手機訊號輸入其實也行,但聲音小了許多),但因為CE端的電壓穩定,因此嘗試將LED換成雷射,馬上將傳輸距離增加到數十公尺遠,而且可以單純針對某個接收端(太陽能板)發射就好,也有了一些隱密傳輸的效果,可是當離發射端距離越遠,就越容易受到外界光源的影響,尤其當外界光源為120Hz閃頻的日光燈或省電燈泡時,就容易出現雜音。




參考資料
1.發射端加入電晶體的比較
http://l0930984547.blogspot.tw/2017/06/blog-post.html
2.發射端電晶體模組集成
http://l0930984547.blogspot.tw/2017/06/blog-post_3.html
3.結合手電筒的集成
http://l0930984547.blogspot.tw/2017/10/blog-post_13.html

(三) 利用焦耳神偷電路改良,發射端不需使用擴大機
若將電晶體驅動的電壓降低到1V左右,就可以讓手機音源輸入的頻率變化較明顯,但這樣的電壓就無法驅動LED燈,因此我們利用基本的焦耳神偷電路來改良,將原本1.5V的電源先串接1~2條二極體降低電壓到1~1.2V(不接也可以,聲音會小一點),再將電源端的電路串聯上音源,之後就利用焦耳神偷電路升壓驅動LED,這樣也可以達到和擴大機相同的效果,卻省去了擴大機的不便,接收端同樣用太陽能板接收再用擴大機放大,或直接將太陽能板連接一般的耳機也可以,但聲音很小聲,效果不佳。
這樣的改良讓裝置更加的精簡,在教學上也可以達到電晶體電路練習的目的,但還是沒有解決外界光源的影響。




參考資料
利用焦耳神偷改良發射端
http://l0930984547.blogspot.tw/2017/07/blog-post_17.html

(四) 導入紅外光當作發射端光源,解決可見光的影響
因為發射端以LED當作光源,接收端以太陽能板當作光的接受器,因此外界可見光的干擾一定無法避免,除非外界光為不閃爍的太陽光或白熾光,不然就是改變發射端的光源,因此嘗試將可見光LED換成紅外光LED,外界的光源就不會干擾接收器的運作了。



參考資料
發射端改為紅外光
http://l0930984547.blogspot.tw/2017/11/blog-post_13.html

(五) 完全不需擴大機版本
原本紅外光LED選擇是照明用的,雖然光強度較高,但需要3V以上的驅動電壓,因此還是需要靠焦耳神偷電路才行,後來嘗試使用遙控器用的IR,驅動電壓只要1.5V,因此直接將手機的音訊連接在電晶體的B極,直接用1.5V的電源就可以驅動紅外光LED,也不需要再利用焦耳神偷的升壓電路了。
接收端的部分原本利用太陽能板接收,因為產生的電流量小,因此還是需要擴大機,但配合發射端的紅外光光源,將接收端的太陽能板更換為紅外光接收器,同樣再利用一個電晶體電路放大,就可以直接在C、E端連上耳機直接聽到傳輸的聲音,效果又好又便捷。
也可以在紅外光接收器的前端再放一個透鏡,可以再將紅外光集中,聲音更大,傳輸距離也更遠。
 

參考資料
1.免擴大機的IR接收器
http://l0930984547.blogspot.tw/2017/11/blog-post_13.html
2. 免擴大機的IR接收器集成裝置
http://l0930984547.blogspot.tw/2017/11/ir_25.html
http://l0930984547.blogspot.tw/2017/11/ir_27.html

(六) 電磁感應與光傳輸二合一
最早曾經利用電磁感應的方式來當作傳輸的方法,其實基本原理是很類似的,光傳輸是將聲音訊號轉變為光訊號,電磁感應的方式則是將聲音號變成磁訊號,這兩者的交集就是霍爾傳感器,因此將這兩個合一,就更完美了!!

參考資料
1. 電磁無線傳輸
https://l0930984547.blogspot.com/2011/01/blog-post_2644.html
2.霍爾_電磁無線傳輸與光傳輸二合一
https://l0930984547.blogspot.com/2018/07/blog-post_27.html

四、結語
在整個教具的發展過程中,其實對我而言就是一個極具參考價值的探究歷程,從一開始的仿作,並從中發現需要改良之處,逐步針對問題的原理來思考解決方法,不躁進也沒有時程表,在實作過程中不斷學習一些新知識與技巧,這樣的歷程往往會讓人有很強烈的成就感,而這些過程中的小小成就感就是驅使前進的唯一動力,當老師親身體驗了這些感動,便會願意逐步將這些探究與實作的歷程加入自己的教學中,每次教育改革成功的關鍵往往不是政策或方向如何制定,而是老師本身是否願意去嘗試新的教學方法,而這些教學方法通常不是在師培過程中學習到的,因此老師本身的高峰經驗便決定了是否願意嘗試的關鍵。探究與實作結合了學術與應用的最高境界,如果有更多老師願意去嘗試,相信這次的教育改革會是最接近成功的一次!

2018年10月14日 星期日

不同音色的原因

相同頻率卻有不同音色的問題
其中一個因素就是和泛音的數量有關
不同數量、不同振幅的泛音合成之後就可能形成在相同頻率下的不同音色
詳細的說明可以參考這篇
https://l0930984547.blogspot.com/2017/01/blog-post_11.html
然而泛音的出現是有依據的,可不會憑空出現
從實驗的結果就可以看出倍數關係
https://l0930984547.blogspot.com/2017/01/blog-post_13.html
以常見的管樂器來說,通常都是一端閉口的型式
要吹出泛音就需要更快速的震動
也就是為甚麼笛子用力吹聲音會更高的原因
但通常我們不會這樣來產生高音
而是用不同管長產生不同基音的方式來處理
因此管子越長,基音的波長也越長,頻率當然也就比較低
這就是伸縮喇叭或鳥笛的原理
可以參考這兩篇的作法
https://l0930984547.blogspot.com/2017/02/blog-post_17.html
https://l0930984547.blogspot.com/2017/01/blog-post_12.html
但更有趣的是利用這樣的原理來測量聲音的速度
就更高段了
https://l0930984547.blogspot.com/2017/10/blog-post_15.html
測量聲速的方法,進階版就再回到聲音的合成
若相同頻率的兩個音頻在1/2波長的位置就會產生相疊加或相削減的合成
也就可以知道波長
聲音的速度也可以計算出來
https://l0930984547.blogspot.com/2017/10/blog-post_15.html

不是只有像NHK排排站拿旗子的方法而已喔~~
雖然我還是最喜歡這個直觀的方法!!

micro usb與3.5mm耳機線二合一製作

買了一個藍芽喇叭
聲音超大,又可以外接USB和TF卡放音樂
要聽FM收音機也行
也可以有line in的功能
和手機藍芽連接後也可以當免持聽筒(內建麥克風)
簡直該有的都有了




不過它的line in線不是一般的3.5mm耳機線
而是和micro usb 充電孔共用
結果有趣了!!
它附的線竟然沒有line in的耳機孔
只有一條普通的USB線
剪開看發現只有兩條線,也就是它只是一條單純的充電線


沒有資料傳輸的功能
只好自己來作一條了

正常的USB線其實會有四條線
紅黑分別為5V的正負極
另外兩條線是帶弱電(正電)的資料傳輸線
在這裡就是當作左右聲道的音源線

剪開一條立體聲的音源線
裡面有三條線
正常來說,黑色是地線(GND)
另外兩條就是左右聲道

把左右聲道的線和USB的資料線捲在一起
另外原本插在插頭端的線只留紅黑就好
這樣就作好一條充電和音源傳輸線共用的USB線了




不想花錢
就自己作囉~~

2018年10月12日 星期五

計算教不教??

看一下108課綱修改之後的自然科學學習內容(附錄四)
我摘要了一些國中理化的部分

6-1由實驗操作可知道浮力是排開液體的重量,不涉及複雜計算。
8-2由物體運動軌跡觀察與歸納,了解或發現等速與等加速(含自由落體)一維運動的規則性(例如:位置、速度與時間的關係,包括x-t圖、v-t圖、a-t圖等圖表解讀),不涉及公式推導與運動方程式的計算。
13-2本次主題所有計算均限於單一物體受單一作用力之簡單計算。(註:作用與反作用力)
2-1知道萬有引力定律的內容,了解物體的重量可能會隨地點不同而改變,只涉及兩個物體之間的計算。
2-1介紹帶電物體之間的電力與其距離、電荷電性及電量有關,只涉及兩個物體之間的計算。
7-1使用三用電表或伏特計、安培計等儀器測電流、電壓,觀察電阻的特性。不涉及電阻串、並聯公式計算。
8-2說明電流熱效應時,不涉及電能之公式推導與電阻串、並聯電能計算。
5~7認識電與生活,例如:用電安全、過載及短路、直流電與交流電、輸配電的概要、電器標示及電費計算,說明電功率定義時,不涉及電功率公式推導與電阻串、並聯電功率計算,僅利用電功率介紹電費計算原則。
1-2混合物分離部分,著重在技術操作。目標是讓學生能夠正確運用器材,將混合物分離,不涉及層析原理。
2-1以簡單的演示連結學生生活經驗,讓學生觀察二者之間的關係,不涉及微觀粒子的解釋,不涉及計算。(註:氣體壓力)
4-1不涉及溶液混合與稀釋等濃度變化之計算。
5-1 實際組裝鋅銅電池,並測試鋅銅電池的效應,以電子轉移過程說明電池的反應,不涉及廣義的氧化還原定義。
7-1以碳棒為電極,用直流電源實際電解水與硫酸銅水溶液,觀察電解硫酸銅的現象與原理,電解硫酸銅與電鍍,不涉及正、負極化學反應式。
2-2 pH值與酸鹼濃度之關係,可用廣用試紙之顏色,推知pH值之大小,以判斷酸鹼強度,不涉及氫離子莫耳濃度之計算。
6-1實際操作酸鹼反應,觀察鹽類的產生與溫度變化,不涉及酸鹼滴定的濃度計算。滴定之計算列為高中化學加深加廣選修的學習內容。
1-1以實驗探究溫度、濃度與接觸面積的大小跟化學反應速率的關係,不涉及計算。
3-1從演示或實驗影片說明溫度或濃度改變時如何影響化學平衡,不需要記憶反應結果與反應式。

以一個正式的條文來說
其實很少有這麼多負面表列的項目
通常為了讓條文可以不要經常修正
會寫的比較有彈性
讓大家解讀成「只要沒說不行就是可以」
(會計的習慣是「只要沒說可以就是不行」)
但這次這麼多「不行」的事直接表列在課綱中
代表了甚麼?
計算不重要?所以不用教?
計算就是牛鬼蛇神,所以去之而後快?
我不想評論甚麼
但回到一個實用的角度來說
在我開發許多亂七八糟東西的經驗告訴我
「數學可以讓你省下許多不必要的時間,可以快速接近目的地」
我的數學超爛,爛到我不想去回想
但我並不討厭數學
因為我知道數學厲害的地方,只是我不會而已...

科學裡會用到的數學就是為了可以更「精準預測」我們想要知道的事
而不是質性的知道會怎樣而已
當然,精準到甚麼程度就和你的需求有絕對關係
以國中的程度來說確實不需要多麼精準
但不代表計算就是阿鼻地獄
只是你是否賦予計算更多的價值和威力

前幾天上到運動學
湊巧下課時學校附近發生車禍
很多學生都看到警察在測量
隔天我問學生,你們是否有看到車禍?
警察在量甚麼?
「剎車痕啊~~」
「量那個要作甚麼?」我反問學生
「....」
「在車禍案件中有一個很關鍵的判決標準就是車速...,你怎麼知道肇事車輛有沒有超速?」
「看行車紀錄器」
「看影片你就知道車速多快?影片又沒有記錄車速?...但你是否可以從影片當中知道車子在一秒內跑了多遠?」
「可以啊,看經過兩根電線桿的時間」
「好棒!!所以這樣算出來的是平均還是瞬時?」
「平均速度」
「所以平均速度可以代表當時煞車前的速度嗎?」
「好像不行耶~~」
「其實也不是說不行,如果時間很短,也勉強可以將平均看成瞬時」
「但更好的方法就是地上的剎車痕」
「我們預期有剎車痕應該是駕駛已經將剎車踩到底,因此從原廠那邊就可以知道剎車力道,也就是目前車子的摩擦力」
「車重也是已知,所以從這兩個我們就可以知道甚麼?」
「F=ma,加速度啊~」剛上完,幸好還沒忘
「很好,那加速度有了,剎車痕我們可以當作是煞車時間的位移,最後車子停下來也就是末速為0,有這三個,我們能不能求出初速,也就是肇事的車子到底有沒有超速?」

我習慣將常用的那三個公式一直留在黑板
直接給學生對照著用
學生似乎比平常有興趣
很多人提筆開始算算看有沒有超速
當然我預先給了他們一些設計過的假設數字

「老師,我算出來了~~它應該沒有超速喔,時速只有50左右」
「那就對了,警察就會把這些資料給檢察官,檢察官就用這些資料來判定肇事責任」
「原來量剎車痕這麼厲害~~」
...

計算有沒有意義
就看你是否賦予它意義

後記
很多朋友看完前一篇的言論都以為我是否是希望增加更多的計算啊?
其實剛好相反
我是一個實驗狂熱者
我根本不喜歡也不想在課堂上教一堆計算
只是這不代表計算本身沒有價值
擔心的是很多老師就認為這些都不需要了
因為課綱說不能教,當然也就不能考
不考的東西不教
這就讓老師失去了許多教學的主導權
基本上就是自廢武功
這才是最擔心的問題啊
老師怎麼上才能呈現整個知識架構的邏輯性
這是老師的專業
而不是建立在課綱說教不教
或大考要不要考的問題
是否,是否…
我們可以有一些些時候把考試和教學拆開來看
只要一些些就好…

場效電晶體_電容電阻型計時器(RC電路)

之前修過一台定時器
構造其實還算簡單
但裡面那個定時用的減速齒輪就是關鍵了
很難自己搞出來
這種東西其實幾百元就有
但就想自己作一台...
因為我經常多工在處理實驗
好幾次當忘記關熱熔槍或電烙鐵
所以裝上定時器是最方便的

說到定時,第一個想到的就是555
但這次我想用場效電晶體來試試看
場效電晶體就是個開關
只不過用的是電容的充放電來控制(一般就稱為RC電路)
如果讓電容的電慢慢釋放
就可以當作定時器了
但電容和電阻的規格就需要嘗試了
可以利用電容計算機
但似乎不是很準
因此還是要回到經驗法則了
慢慢試就會找到最好的組合
但這一試至少半小時以上
只好先作一個自動計時的裝置幫忙
不然實在太浪費時間

利用碼表來幫忙
先將stop的按鈕引出,接在繼電器的NC端
當電容放電完
mosfet就會斷電,繼電器也就會跳到NC端
碼表就會停止計時
這樣我就可以找出最佳的組合


基本上我用12~13V的電壓(電壓高一點才撐得久)
但繼電器最好電壓低一些,時間才能撐得更久
也不用再買新的繼電器,不然花太多錢了
因此共用電源的情況下
在進入繼電器之前先用7805來降壓
12V降到5V,需要吃掉7V的電壓
若依電壓器標示的規格1A來說
7805會消耗7W的功率,其實蠻大的
因此要加上散熱片才行

3300微法拉的電容
放電電阻若為330k,試了兩次,剛好都在半小時左右
我手邊也還有680k的電阻,差不多也就1小時
還算穩定,本來就想這樣配置
但放電的過程發現3300微法拉若要復位
放電瞬間的電流太大
二極體可能久了之後會被擊穿
因此還是用1500微法拉就好
又重新開始測量時間
但有之前的經驗,數學幫了很多忙
電容減變成原本的0.455倍
電阻就要變為2.2倍,所以就是726k歐姆
一試果然很準!!數學真的是有用的~~
但配合我手邊有的電阻
一小時只能用1470k
試了一下,四組串聯約為4小時6分
可以接受了,又不是要拿來計時的

就這樣來組合了
利用11段的波段開關來控制接的電阻數量
分別為0.5,1.0,1.5,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0,8.0,10.0,12.0小時

電路圖如下(這個最重要啊~~)

繼電器端接上110V家用電
因此配合繼電器的規格
再加上一條8A的保險絲,小心一點總沒錯

電阻盤就不用焊接了
一方面焊這麼多太痛苦
另一方面用麵包板也比較彈性
未來如果有需要可以改時間
插起來很療癒的感覺(科學人的浪漫啊~~)

成品如下









整個實驗花了20多個小時測試
幸好有自動計時器幫忙
不然真的就痛苦了