「動手學科學/物質科學I」的課程內容

一、科學觀念的系統與列表

系統 分類	科學觀念	說明
原子 與分子	1.原子	原子是元素能保持其化學性質的最小單位。 一個原子包含一個帶正電的原子核(在中間)及一些圍繞在原子核周圍帶負電的電子。 原子核由帶正電的質子和電中性的中子組成。 原子半徑/原子核半徑比例，如果放大到一個人的大小，原子核之間的距離大約是台北到新竹間的距離。
	2.包立不相容原理	原子半徑與原子核半徑差距很大，但兩個原子相向而行卻不會穿過對方。原因是包立不相容原理。 兩個量子組態一樣的電子，不能存在於相同的軌域中。
	3.電子軌域	一個原子裡，電子的分佈不是連續的，由內而外會有好幾層，那些層(空間)又稱做軌域。
	4.金屬有導電的特性	導電的特性=電子容易移動。 金屬元素最外層的軌域，都有很多空間可以讓電子進入，因此當很多個金屬原子連在一起時，就會形成一個通道方便電子移動。
	5.粒子、波雙重性	光子和電子都具有：粒子/波雙重性，會出現類似的雙狹縫干涉條紋。 在微觀世界中，電子是可以「同時」出現在甲地，也「同時」出現在乙地，只是分別在甲地與乙地被找到的機率各有不同，其出現機率由波函數表達。
	6.常見元素	碳(C)： 組成生物的重要元素。 在二氧化碳裡可以找到它。 氧(O)： 地球大部分生物維持生命必備的元素。 氮(N)： 氨水(NH3)，尿液的味道就是氨。 常常用在值物肥料。 氫(H)： 在水分子(H2O)裡可以找到它。
	7.常見分子	CO2　CH4　H20　NH3　C2H5OH
	8.分子組合方式、形狀	分子內的原子，會因為其最外層的電子數量，決定該分子的組合方式、形狀。
物質 的態	9.從微觀、巨觀認識物質的態	以 PhET 遊戲觀察三態
	10.三相圖	如何讀懂三相圖： 認識坐標：溫度(橫軸)、壓力(縱軸)。 認識圖中不同區塊代表的意義(物質三態)。 定溫時(橫軸選一個點，往上延伸一條直線)，隨著壓力的變化，物質的態會如何改變。 定壓時(縱軸選一個點，往右延伸一條直線)，隨著溫度的變化，物質的態會如何改變。 找出三相點。
能量 守恆	11.能量守恆	能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只會從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到其它物體，而能量的總量保持不變。 如果要觀察到此現象需要將整個實驗設計成密閉的系統。 (通常還是會有部分能量消失，因為熱量散失、實驗誤差...)
動位能 轉換	12.萬有引力	具有質量的物體之間相互吸引的作用力。 F=GMm/r²
	13.重力	地球對地面附近物體的萬有引力就是重力，重力的值就是我們平常說的重量。 G=mg
	14.重心	當它作為支點時，能使一物體所受重力之合力、合力矩為零的作用點。 (作為支點時能使各質點相對於該點的位置向量乘上各質點的重力之和(合力矩)為零。) (質點：將物體以比較好計算的方式切割，切割後的每一塊的質量中心。)
	15.加速度	物體運動時，單位時間內的速度變化。
	16.摩擦力	指兩個表面接觸的物體相對滑動時抵制它們相對移動的力。
電	17.電壓	是衡量單位電荷在靜電場中由於電位不同所產生的能量差的物理量。此概念與水位高低所造成的「水壓」相似。
	18.電流	單位時間內通過導線某一截面的電荷數量。
	19.電阻	一個物體對於電流通過的阻礙能力。
	20.二極體	是一種雙電極電子元件，電流只允許由單一方向流過二極體。
	21.半導體	一種電導率在絕緣體至導體之間的物質。
電磁 感應	22.冷次定律	線圈內的磁場增強時，感應電流產生的新磁場與原磁場方向相反。
	23.法拉第定律	當磁場發生變化，將產生相對應的感應電流。
光	24.斯奈爾定律	當光波從一種介質傳播到另一種具有不同折射率的介質時，會發生折射現象，其入射角與折射角之間的關係，可以用斯奈爾定律(Snell's Law)來描述。
熱	25.熱與動能	常用機械動能：使用空氣加熱後會膨脹的原理，帶動機械運轉。

二、科學觀念對應的活動

系統分類	科學觀念	活動名稱	設計者
原子與分子	1.原子	穿不過去	丁志仁
	2.包立不相容原理
	3.電子軌域	電子軌域勞作
	4.金屬有導電的特性
	5..粒子、波雙重性	粒子、波雙重性
	6.常見元素	分辨常見元素	林青高
	7.常見分子	認識常見分子
	8.分子組合方式、形狀	分子球桿模型
物質的態	9.從微觀、巨觀認識物質的態	觀察三態
	10.三相圖	三相圖
能量守恆	11.能量守恆	Tracker自由落體、牛頓擺、平衡鳥、步行下坡	略 步行下坡：清大跨領域科教中心
動位能轉換	12.萬有引力
	13.重力
	14.重心
	15.加速度
	16.摩擦力
電	17.電壓	奇妙的電阻世界\n自走車實作	張鈞祺;張又懿
	18.電流
	19.電阻
	20.二極體
	21.半導體
電磁感應	22.冷次定律	簡易小馬達	曹齊平
	23.法拉第定律
光	24.斯奈爾定律	甜蜜的魔境
熱	25.熱與動力	史特林引擎

三、活動內容與探究問題

活動 名稱	活動內容	探究問題	參考答案
穿不 過去	找出兩組同學扮演「固體的原子核」，模擬兩件固體相向運動。	觀察並探討為何原子核間距很寬，兩件固體相向運動時卻不會穿過對方。	中間的區域同時存在著電子。 因為包立不相容原理，已滿的電子軌域無法容納更多電子，因此兩個原子會因為彼此的電子軌域互相排斥而不會穿透。
		請簡單解釋包立不相容原理。	任意兩個處於同一原子軌道的兩個電子不能佔有相同的量子態。 or 處於同一原子軌道的兩個電子自旋方向必定相反。
電子軌域勞作	利用平面的原子模型，做出不同的原子。 用不同的原子組合成不同的分子。 用複數的金屬原子模擬金屬固體，解釋金屬導電的特性。	金屬為什麼有導電的特性？	導電的特性=電子容易移動。 金屬元素的最外層，都有很多空軌域可以讓電子進入，因此當很多個金屬原子連在一起時，空軌域就會連成通道，方便電子移動。
分辨常見元素	認識 碳(C)、氧(O)、氮(N)、氫(H)	你是否能認得元素符號Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ。	Ｃ：碳　　Ｈ：氫　　Ｏ：氧　　Ｎ：氮
認識常見分子	認識 CO2、CH4、H20、NH3、C2H5OH	分享一下你在生活中有觀察到哪些分子種類、哪些特性？	ex.我觀察到：乙醇(酒精)，塗在身體上會涼涼的。
分子球桿模型	在初步認識不同分子之後，認識分子內原子的組成方式、形狀。	請問分子的形狀跟甚麼有關係？	跟組成分子的原子們，他們的電子軌域、鍵結狀況有關。
觀察三態	透過模擬動畫，觀察在分子的層級時的物質三態。 物質三態對生活的影響。	不同的態有甚麼特性？	固體時分子們會排列成固定形狀，並持續震動。 加熱成液體後，形狀會被破壞，振動會更劇烈，但還是黏在一起。 加熱成氣體後，開始有ㄧ些分子彈飛，不再黏在一起，振動會更劇烈。
		如果沒有固態/液態/氣態，對我們的生活會有甚麼影響？	ex. 如果沒有固態，人類可能會流來流去。 如果沒有液態，我們沒辦法喝飲料。 如果沒有氣態，我們沒辦法呼吸。
三相圖	讀懂三態圖:坐標、定溫、定壓、三相點。	請問1大氣壓力時，改變溫度，水會發生甚麼改變？	1大氣壓力時，H2O隨著溫度的升高，三態的變化如下：固→液→氣。
		請問1大氣壓力時，改變溫度，二氧化碳會發生甚麼改變？	1大氣壓力時，CO2隨著溫度的升高，只有兩態的變化：固→氣。
		請問水的熔點？	1大氣壓力時，H2O在0°C時，固→液。
		請問二氧化碳的熔點？	1大氣壓力時，CO2在-78°C時，固→氣。
		請問H2O的沸點比較高的原因？	氫鍵：在分子層級，H2O分子有些許的極性(O原子端微帶負電,H原子端微帶正電)，而CO2分子間極性很弱，所以H2O需要更高的溫度(能量)才能拆散那些分子。
		氫鍵產生的原因？	H2O有極性。
粒子、波雙重性	利用雷射筆做雙狹縫干涉實驗，證明光有粒子、波雙重性。	拍照上傳過程與結果照片。 在紙上端正寫出組內分工以及計算波長的算式，並上傳。 討論各組結果為何不同？ 剔除極端值，全班各組做平均。 上網查出綠光雷射的波長，並跟實驗數據做比較。	實驗中有各種不同的誤差。 比較誤差大小，是否在兩個數量級(100倍)以內。
Tracker自由落體	利用Tracker(追踪器)，觀察物體的運行過程，計算物理量。	請問，當一個物體以自由落體的方式落下，時間過越久，物體的瞬間速度會____。 A.越快 B.越慢 C.等速	A.越快
牛頓擺	使用自製的球和支架，讓小朋友們練習調整牛頓擺的各項參數，達到最好的效果。	如果牛頓擺失敗，可能的原因有哪些？	線的長度不同，小球無法互相擊中質心。 球不夠重，沒有夠大的位能。
		為什麼球過不久會停下來？能量去哪了？	能量被球與球之間的碰撞、繩子與支架連接之間的摩擦力消耗掉了。
		什麼情況下牛頓擺可以永久擺下去？	在一個沒有空氣阻力也沒有摩擦力的理想空間牛頓擺可以永久擺下去。 這種空間在現實生活中並不存在，目前只有在電腦模擬器裡可以實現。
		請用一個表格記錄單擺實驗。	表格
平衡鳥	用簡單的實驗與勞作，加上生活中的體驗，讓同學們了解物理中的重心、動能、位能、加速度。	生活中有什麼地方能看到能量的傳遞？	冬天手摸著金屬製品，金屬製品會隨著時間變得不冷(體溫傳導能量到金屬製品裡，使它的溫度升高)。 手機充電(能量以電的形式從插座傳遞到手機裡)。
		請舉例，生活中的平衡現象。	ex.翹翹板。
		為什麼平衡鳥只需要一個支點就能好好的站著？	因平衡黏土的重心位置，低於支撐點的高度，而物體會偏向重心；這兩股相對的力量會互相抵銷、達成平衡。 空中腳踏車也是一樣的道理，因為重心在支撐點之下，所以空中腳踏車可以利用小小的支點，取得完美的平衡。
		請在下方的平衡鳥圖中，分別標出重心、支撐點、中心點的位置。
步行下坡	讓學生自行製作/觀察下坡玩具，認識力學的實際運作。	下坡玩具的速度是越來越快，還是越來越慢呢？	當球往下滾時，持續受到地球重力的影響，位能不斷轉變成動能，使得速率增加。
		在「翻滾吧！柯基」實驗中放入兩顆彈珠，翻滾速度會加快，與哪一個物理數值有關？	與重量、重力、萬有引力有關。
		請問，當下坡小馬往下走時，時間過越久，下坡小馬的瞬間速度會____。 A.越快 B.越慢 C.等速	C.等速
		什麼原因可能造成下坡玩具不會往下走？	坡度不夠(後重心無法作用)。 摩擦力太大。
		放兩顆彈珠，效果有什麼改變呢？	柯基犬會滾得更快。因為彈珠的重量越大，兩邊重量落差越大，加速度也會越大。
		不能筆直走下坡時，可能的影響因素有哪些？該如何調整？	因為彈珠會在柯基犬裡面左右滾動，造成重心偏移，解決方法是可以把柯基犬剪的窄一些，或用一些其他填充物鎖住彈珠的位置。
奇妙的電阻世界	從一顆小小的電阻帶入，了解什麼是電阻？電流跟電壓有什麼關係？從生活中的體驗讓同學們了解各種電子元件的功能與用途。	請問在相同電壓下，電阻值越大，電流是越大還是越小？為什麼？	電阻是電線中的阻力，會阻擋電流讓電流變小，所以當電阻值越大時，電流會越小。
		電阻值的大小取決於電線的那些變因？	電線材質、電線寬度...。
		很多電子感應器上的判斷數值的原理是根據元件的___變化，因而數據產生變化？	根據裡面的可變電阻。
自走車實作	讓學生們學習使用簡單的材料，去調整車子的結構，去做出一台性能最好的自走車。	車子爬坡的時候，電池座應該要放在前面還是後面，才能順利攻頂？	電池座的位置會影響車子的重心，重心在前車子容易翻車，所以要放在後面。
簡易小馬達	利用電磁感應的原理，模擬馬達的運作。	發電機主要運用什麼原理來發電？	利用各種動力(如水力、風力)使線圈在磁鐵的兩極間轉動；當線圈轉動時，線圈內的磁場改變，因此產生感應電流。 發電機是運用「電磁感應」將動力所作的功轉換成電能的裝置。
甜蜜的魔境	觀察光在不同液體中的折射與反射。	為什麼密度會影響折射率？	密度用生活化的例子來解釋。假設有兩個月台，一個月台人來人往、另一個月台杳無人煙。想要穿過杳無人煙月台一定比較容易，光在介質當中的行進也是一樣的道理。
史特林引擎	嘗試製作史特林引擎，認識熱、動能、簡單機械運作。	請舉出三個可能造成史特林引擎實驗失敗的原因。	軸線不直，使得活塞上下運動時容易卡住。 冷熱溫差不夠大。 活塞會導熱，造成上下兩邊的溫度變得一樣。
		請問活塞為什麼會被推起來？	因為氣體膨脹，將活塞給推了起來。

四、實驗的製作要領

(一)史特林引擎

(二)自走車

1.先將一張A4紙對折。
2..在其中一邊畫上喜歡的形狀。
3.將形狀剪下，然後黏貼在瓦楞板上。
4.接著沿著紙邊將瓦楞板剪下。
車體左右要對稱，重量平均車子才不會斜著走。 車子的重心要在前方，爬坡時比較不會翻車。 如果使用瓦楞板做車子，記得對好小洞切。

五、考題典藏

略

六、上課地點相關示意圖

地點：220新北市板橋區新海路181號信義樓五樓513教室。(新埔國中)

交通資訊：

捷運：板南線，新埔站或板橋車站下車後可步行(約10~15分鐘)、騎YouBike單車或轉乘公車。

單車：板橋車站、新埔捷運站皆有 youBike 單車出借，甲地借乙地還，可循步行路線騎至市立板橋醫院前還車，再走到新埔國中。

公車：

1. 658(板橋－西門)->新埔國中站下車
2. 橘5(板橋－捷運景安站)->新埔國中站下車
3. 857(淡海－板橋)->新埔國中站下車

參考網址：urclass.net/AL/banciao.html

進校門左轉	走到第一個轉彎處	上5樓	直走	513	515