動手學科學/物質科學Ⅲ/復盤一到三課次

出自 全民科學平台
於 2025年3月6日 (四) 11:51 由 丁志仁 (對話 | 貢獻) 所做的修訂 (3. 基本線路)
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段落一:能量轉換

  • PhET
  • 牛頓擺
  • 迷你拋石器
  • 投石器
  • 永動機?
    • 其實都是偷藏電源跟磁磺管
  • 高斯加農砲
  • 能量變變變
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段落二:麵包板基本使用

第二課次講過的

1. 理解麵包板結構與連接方式

  • 麵包板內部結構:
    • 麵包板由許多小孔組成,這些小孔在內部透過金屬夾連接。
    • 中央區域的小孔通常以五個為一組,水平方向連接。
    • 兩側的長條小孔則垂直方向連接,通常用於連接電源和接地。

  • 辨識連接方式:
    • 了解哪些小孔是連接在一起的,這對於正確搭建電路至關重要。
    • 使用電表進行導通測試,可以幫助確認連接關係。

2. 線上電路圖轉換步驟

  • 分析電路圖:
    • 仔細觀察線上電路圖,了解各個元件的連接方式和功能。
    • 分別有幾個輸入與輸出?哪邊是正哪邊是負?
    • 辨識電源、接地、電阻、LED 等元件的位置和連接關係。
  • 轉換為麵包板佈局:
    • 將線上電路圖的連接方式,對應到麵包板的孔洞連接。
    • 考慮元件的物理尺寸和引腳排列,選擇合適的插入位置。
  • 連接電源和接地:
    • 首先在麵包板兩側的長條小孔連接電源和接地。
    • 確保電源和接地的極性正確。
  • 插入元件並連接導線:
    • 按照轉換後的佈局,將元件插入麵包板。
    • 使用跳線(導線)連接元件之間的引腳。
    • 注意跳線的長度和顏色,避免線路混亂。可以考慮紅色正極、黑色負極。
  • 檢查連接:
    • 完成連接後,仔細檢查線路是否正確。
    • 使用多用電表檢查各個節點的電壓和連接情況。

3. 基本線路

  • 最簡單的真值表:
    輸入輸出
    11
    00

  • =>
  • And的真值表:
    輸入1輸入2輸出
    000
    010
    100
    111
  • 當任意一個開關為“關” (0) 時,輸出即為“關” (0);僅當兩個開關皆為“開” (1) 時,輸出為“開” (1)。
  • =>
  • Or的真值表:
    輸入1輸入2輸出
    000
    011
    101
    111
    • 當任意一個開關為“開” (1) 時,輸出即為“開” (1);僅當兩個開關皆為“關” (0) 時,輸出為“關” (0)。
    • =>



    • 搭建電路:
      • 從最簡單的電路開始,例如 LED 與電阻的串聯電路。
      • 逐步增加電路的複雜度,例如增加並聯元件或使用 IC。

    • 將元件引腳輕輕插入麵包板,避免用力過猛導致損壞。
    • 測試與除錯:
      • 連接電源後,測試電路是否正常運作。
      • 如果電路無法正常工作,使用多用電表檢查各個節點的電壓和電流。

    4. 注意事項

    • 電源極性:確保電源極性正確,避免反接導致元件損壞。
    • 短路:避免導線或元件引腳之間發生短路。
    • 元件規格:了解各個元件的規格和使用限制。
    • 線路整潔:線路盡量簡潔,避免纏繞,方便除錯。

    段落三:家庭用電小計算(度)

    課程講解

    • 瓦特(Watt)與度的概念解釋:
      • 瓦特(W):功率單位,表示電器每秒消耗的電能。
      • 度(kWh):電能單位,表示電器消耗的總電量。1 度電等於 1 千瓦(kW)的電器使用 1 小時(h)所消耗的電量。
      • 用簡單的比喻來解釋,瓦特就像水龍頭的水流速度,度就像水桶裡累積的水量。
    • 瓦特(W)至度(kWh)的轉換計算:
      • 公式:度(kWh)= 瓦特(W)× 使用時間(小時)÷ 1000
      • 透過實際範例,示範如何將電器瓦數和使用時間轉換為度數。
      • 強調單位轉換的重要性。

    (一)家電瓦數大匯整

    • 吹風機:
      • 冷風:97W - 240W
      • 弱熱風:550W
      • 強熱風:760W - 1183W
    • 電視:
      • 55吋液晶電視:104W
      • 70吋液晶螢幕電視:130W
    • 手機充電:(可以看看是大概幾%電的時候,有時候會不同)
      • iPhone:3.96W - 5.62W
      • 其他手機:4.4W - 4.5W
    • 其他充電設備:
      • 電動牙刷充電:0.9W
      • 無線吸塵器充電:18W
      • 藍芽耳機充電:2.1W
      • 平板充電:5W
      • 電子耳充電器:0.6W
    • 照明設備:
      • 檯燈:1.11W - 6.76W(依亮度不同)
      • 地球儀檯燈:4.2W
      • 夜燈:2W
      • 床頭燈:17W
    • 電腦相關:
      • 筆電充電:4.5W
      • Asus Vivobook 電腦開機+充電:109W
    • 廚房家電:
      • 果汁機:260W(一速)/ 990W(瞬打)
      • 飲水機(沸騰):823W
      • 小電鍋:785W(開關)/ 39.68W(插電)
      • 大電鍋:1221W(開關)/ 0W(插電)
      • Panasonic快速煮水壺:550W
    • 其他家電:
      • 家用投影機:60W
      • 電子鼓:3W
      • 空氣清淨機:2W - 75W(依檔位不同)
      • 離子夾:180W(加熱中)/ 1W(使用中)
      • TESCOM吹風機:109W-135W(依風速不同)
      • 象印熱水瓶:86W
      • 愛美特直頻電風扇:35W(最大風速)
      • dyson吸塵器:0.04W
      • 電子耳除濕機:7.5W
      • 除濕機:129w-135w
      • wifi機:5.4w
      • 暖氣機:653W
      • 電風扇:1.24W-22W(依風速不同)

    (二)抽手馬達用電計算

    • 提供一個抽水馬達的實際案例,例如:
      • 抽水馬達功率:750W
      • 每天使用時間:2 小時
    • 引導學員計算抽水馬達每天和每月的用電量。
    • 討論抽水馬達用電量的影響因素,例如:
      • 抽水頻率
      • 抽水高度
      • 馬達效率
    • 燈泡家庭用電計算:實際案例分析
      • 小明的書桌上有一盞 LED 燈泡,功率為 10 瓦(W)。
      • 小明每天平均使用這盞燈泡 4 小時。
    • 計算步驟:
      • 每日用電量:用電量(度 kWh)= 功率(W)× 使用時間(小時)÷ 1000
      • 每日用電量 = 10W × 4 小時 ÷ 1000 = 0.04 度(kWh)
      • 每月用電量:假設一個月有 30 天。
      • 每月用電量 = 每日用電量 × 30 天
      • 每月用電量 = 0.04 度 × 30 = 1.2 度(kWh)

    (三)一日之所需

    • 讓學員記錄或想像自己家庭一天中各種電器的使用時間。
    • 根據家電瓦數和使用時間,計算各個電器的用電量。
    • 將所有電器的用電量加總,估算家庭一日的總用電量。
    • 請學員檢討那些電器耗電量較大,那些電器耗電量較小,並請學員思考如何節省電力。

    段落四:二極體與橋式整流

    段落五、磷酸鐵鋰電池

    三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池的差異:
    在當前技術下,微電網儲能設備逐漸傾向採用磷酸鐵鋰電池,這主要是由於其在安全性、成本和壽命方面的優勢。以下是兩種電池的主要差異:

    • 材料與成本:
      • 三元鋰電池: 使用鎳、鈷、錳等貴重金屬,資源相對稀缺,導致成本較高。
      • 磷酸鐵鋰電池: 使用地球資源含量豐富的磷和鐵,不含鈷等貴重元素,因此價格較低。
    • 安全性:
      • 三元鋰電池: 在濫用測試(如過充、短路)下,存在起火或爆炸的風險,安全性相對較低。
      • 磷酸鐵鋰電池: 安全性極佳,即使在惡劣條件下也不易發生熱失控,不爆炸、不起火、不冒煙,安全性高。
    • 循環壽命:
      • 三元鋰電池: 循環壽命相對較短。
      • 磷酸鐵鋰電池: 循環壽命較長,約2000次以上,更符合環保要求。
    • 應用場景:
      • 三元鋰電池: 因能量密度較高,多用於需要高續航力的設備,如電動汽車。
      • 磷酸鐵鋰電池: 因安全性高、成本低、壽命長,適合用於固定式儲能設備,如微電網、家庭儲能等。
    • 微電網儲能應用:磷酸鐵鋰電池的優勢
      • 在學校普遍裝設教室冷氣與太陽能板後,若將學校定位為地區災防中心,建置微電網,儲能設備是關鍵。
    • 磷酸鐵鋰電池在災防型微電網中具有顯著優勢:
      • 高安全性: 災防中心需要高度安全的儲能設備,磷酸鐵鋰電池能有效降低安全隱患。
      • 低成本: 2023年磷酸鐵鋰電池電芯價格下降,使得建置微電網的成本更為經濟。
      • 長壽命: 長循環壽命確保儲能設備的長期穩定運行,減少更換頻率。
    • 應用情境:
      • 平時,儲存太陽能板發電,供冷氣使用。
      • 災時,供應社區基本電力需求,如通信、用水。

    段落六、完整迴路

    1. 發電
      • 太陽能:
        • 家用:屋頂或空地安裝太陽能板,將太陽光轉換為直流電。
        • 車用:部分電動車配備太陽能車頂,或可攜式太陽能板,輔助充電。
      • 引擎(汽車、柴油):
        • 家用:備用發電機,使用汽油或柴油引擎,提供緊急電力。
        • 車用:傳統燃油車的引擎,透過發電機為車用電池充電;油電混合車(HEV)或增程型電動車(EREV)的引擎,直接或間接驅動發電機,為電池充電。
    2. 電池
        • 常用磷酸鐵鋰電池,安全性高、壽命長。
        • 儲存太陽能或電網電力,供家庭用電或應急使用。
        • 容量:數千瓦時(kWh)至數十千瓦時。
    3. 逆變器
      • 功能:
        • 將電池儲存的直流電,轉換為家用或車用電器所需的交流電。
        • 連接電池與家庭電路,提供交流電源。
        • 部分逆變器具備並網功能,可將多餘電力回售電網。
    4. 控制系統
      • 功能:
        • 監控和管理整個儲能系統,包括發電、充電、放電、逆變等。
        • 電池管理系統(BMS),監控電池狀態、保護電池。
    5. 相互連接方式
      • 太陽能板或引擎發電機產生的交流電或直流電,經過充電控制器,連接到電池儲能系統。
      • 電池儲能系統的直流電,經過逆變器,轉換為交流電,供家用電器或車用馬達使用。