動手學科學/物質科學Ⅲ/電池原理與家用功率

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第一堂: 電池原理與家用功率(canva講義)
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一、能量轉換

原理頁

  • 能量（英語： energy，詞源古希臘語： ἐνέργεια，羅馬化： energeia，意為「活動、操作」）在物理學中是一個間接觀察到的物理量。 它往往被視為某一個物理系統對其他的物理系統做功的能力。 由於功被定義為力作用一段距離，因此能量總是等同於沿著一定的長度阻擋某作用力的能力。
  • 能量有不同形式，例如：動能、熱能、光能、電能、化學能等，而且彼此之間可以轉換。像目前所學， 光合作用是將光能轉換成化學能；呼吸作用是將化學能轉換成熱能。化學反應中的能量改變，常以吸熱或放熱的形式發生。
  • 想想日常生活中，還有哪些能量轉換樣式？ (計算機、太陽能板、 )

活動頁

  • 材料準備(1)：
    1. 氣球數個(顏色不同)
    2. 黑色麥克筆
    3. 自備手機(含有閃光燈)
    4. 護目鏡
  • 材料準備(2)：
    1. 剪刀
    2. 色紙
    3. 塑膠飲料杯
    4. 大頭針
    5. 黏土

🧪實驗步驟： 【業力引爆】

  1. 先將所拿到的各色氣球吹氣 (每組先完成 5 個，每色一個)
  2. 開啟手機閃光燈，貼近氣球拍照(須留意與眼睛保持距離)
  3. 觀察各顏色氣球破裂情況
  4. 再沒有破的氣球上，使用黑色麥克筆圖一塊 10 圓大小的實心區域，重複步驟 2
  5. 影片(業力引爆):

    對影片點擊右鍵開啟進階功能。

🧪實驗步驟： 【奇幻旋轉】

  1. 取用方形色紙，對折再對折後，形成四分之一的大小
  2. 保留中心點，畫出扇葉的形狀
  3. 將扇葉形狀剪出，攤開後為一個風車形狀
  4. 把塑膠杯的底面剪掉
  5. 剪好的扇葉以中心放在大頭針的針尖
  6. 套上剪好的杯子觀察旋轉情況
  7. 影片(奇幻旋轉):

    對影片點擊右鍵開啟進階功能。

【競賽】

  1. 最快引爆的組別
  2. 轉最快的組別

參考文獻

  1. 維基百科-能量 https://zh.wikipedia.org/zh-tw/能量
  2. 108 國中課程綱要
  3. 台中教育大學 掌中風車
  4. 【生活裡的科學】 20180202 - 風車超給力

二、 充放電

原理頁

  • 電池， 最早是由伏打(Luigi Galvani)所製造， 是將本身儲存的化學能轉成電能的裝置。 其原理是利用兩種金屬活性的差異，再配合上電解質的輔助，產生電壓差，驅動溶液中離子游動、導線中電子移動，進而釋放電能。
  • 以上所述為可流動的電，是持續性的。 但是在冷冷的冬日裡，你是否曾經有被門把或是常見的物品電得莫名其妙，這其實是靜電所造成的。 由於兩種物品相對得失電子，導致物品帶了靜電，在一個不小心的碰觸之下， 產生電荷中和，瞬間有一陣酥麻的感覺從身上流過。

活動頁

  • 材料準備：
    1. 剪刀
    2. 美工刀（或鑽子）
    3. 迴紋針數個
    4. 廣口的塑膠瓶或寶特瓶 (需要特定罐子)
    5. 鋁箔紙
    6. 塑膠吸管（或 PVC 管）
    7. 廚房紙巾（或餐巾紙、衛生紙、乾抹布）

🧪實驗步驟： 【製作萊頓瓶】

  1. 把迴紋針的一端拗直，並且在尾端折出一個彎鉤。
  2. 於瓶蓋中間挖個小洞，洞口為可以讓迴紋針穿過去的大小就可以了。
  3. 將迴紋針凹有彎鉤的一端穿過蓋子。迴紋針要可以卡在瓶蓋上。
  4. 彎鉤處再接上數個迴紋針，蓋上蓋子後，垂下來的長度需要碰到瓶子底部。
  5. 剪兩塊大小比瓶子底部還要大的鋁箔紙，其中一塊平舖在瓶內底部、另一塊包覆在瓶外底部。
  6. 將瓶蓋鎖回瓶子，完成萊頓瓶。

【充電萊頓瓶】

  1. 用塑膠吸管和衛生紙摩擦，再用塑膠吸管接觸瓶子迴紋針頂端。多重複幾次，就可以儲存到一定的電量。(使用 PVC 水管效果會更好一些唷)
  2. 將剪刀的尖端一端抵住外圍鋁箔，另一端緩緩靠近萊頓瓶迴紋針頂端。
  3. 這時就可以看到放電產生的電弧還有聽到聲音。這個是電流碰撞空氣產生的光和聲音。
  4. 可以在電子材料行買氖燈。將萊頓瓶重新充電後，用氖燈連接萊頓瓶迴紋針頂端與外圍鋁箔，試試看儲存的電能不能點亮它。

【競賽】

  1. 讓 LED 發亮
  2. 串接 LED 燈，看最多亮幾個燈
  3. 影片(點亮 LED):

    對影片點擊右鍵開啟進階功能。

參考文獻

  1. 電池的歷史與原理 https://pansci.asia/archives/49399
  2. 靜電產生器 科學教育月刊 第 350 期 P37~42
  3. 萊頓瓶的製作與電的儲存【2021 科普列車】

三、 家用電器功率

原理頁

  • 功率是什麼！？
    • 功率定義為能量轉換或使用的速率，以單位時間的能量大小來表示，即是作功的效率。
    • 功率的國際標準制單位是瓦特(W)，名稱是得名於十八世紀的蒸汽引擎設計者詹姆斯·瓦特(James Watt)。
  • 瓦特表
    • 為測量電功率的儀表，亦稱功率計，主要由電流線圈與電壓線圈組成，用於量度整體電路或某負載之輸出功率大小。當電流線圈所產生之磁場與電壓線圈所產生之磁場交互作用時，即

產生與電功率成正比之電磁力而使指針偏轉，因此利用瓦特表計可直接測出負載的電功率。(科工館典藏)

活動頁

  • 材料準備：
    1. 微電腦智慧插座
    2. 數種家電 (吹風機、 USB 快充豆腐頭、 循環扇….等， 共 5ˋ種)
    3. 紀錄大海報 (或是現場有可書寫大電視)

🧪實驗步驟： 吃電怪獸在哪

  1. 每組先到前方拿取一個電器，帶回後進行量測
  2. 需要量測:最大即時功率(Watt)、電流(CUR)、電壓(VOLT)、頻率(FREQ)、3分鐘消耗度數(kWh)
  3. 每5分鐘更換一次電器
  4. 上台寫下各組觀察到的數據

探究問題

為什麼電能適合當成我們常用的能源，而不是其它種類的能量？

電能的使用雖然能帶來很多好處，那它的危險性呢？

何降低家裡用電的度數，達到節能效益？ 亦或者在有限的電能底下，可以支持較長時間使用？

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