2019年11月7日 星期四

利用Phyphox 聲學碼表進行功能轉換實驗~抓住飛行的紙彈

經由黃子欣老師的分享,看到何莉芳老師這邊的吹箭探究功能轉換課程,覺得很棒,如果可以量化的話就更好了,然後再加入一些學生的生活經驗,就著手設計器材。

活動名稱:抓住飛行的紙彈
活動目的:觀察到做功越多,能量越高,部分學生進階處理數據,以及能量轉換效率的概念。
活動內容:利用橡皮筋對紙彈做功,發射紙彈。測量紙彈質量、橡皮筋拉力、做功距離、紙彈飛行距離、飛行時間,可以算出橡皮筋做功與紙彈動能。

領取裝置:紙彈發射器、捲尺、拉力秤、紙彈材料(建議用 1/4張與 1/8張)、紀錄表。

自製發射裝置如圖,就是紙板對折,中間剪開約3公分寬,但是不要完全剪斷,留一短邊與紙板連結,貼上列印直尺或權充直尺固定架,用長尾夾夾住直尺即可。
長邊兩端用長尾夾作為橡皮筋固定以及調整鬆緊度的裝置,讓橡皮筋保持適合的長度。
開口兩片紙片的功用是發射瞬間,橡皮筋撞擊時複製發聲用,但是即便如此聲音還是略小,有機會再改良,目前只能將手機手持於發射器旁收音,效果較好。
至於為何要這樣處理橡皮筋,是因為拉力方向問題,需要儘量限制橡皮筋拉力平行於紙彈位移。



紀錄表格:下載

組員分工:
 彈射手X1、碼表計時手X2並輔助觀察拉長量、紀錄手X1
注意事項:實驗前要說明下列事項

(1)紙彈寬度:不要超過發射孔一半寬度比較不會卡住,長度太長後面容易卡住。
(2)發射方式:握住紙彈後拉長橡皮筋,然後穩住記下拉長長度,鬆開手指即可,避免手部額外動作。
(3)瞄準方式:眼睛透過發射孔瞄準,紙彈、橡皮筋、孔、目標物呈一直線。
(4)收音問題:雖然已經設計發聲片,但是加上紙彈後,發射聲音會小很多,因此手持手機緊鄰發射器旁,效果較佳
(5)目標物:紙箱即可。

拉力不同,各測兩次Phyphox的計時畫面類似這樣







實驗完意外的點有兩個,一是 1Kgw的彈簧秤拉力竟然不夠大,橡皮筋拉長 10公分拉力就超過1Kgw了。 另一是拉力大時紙彈速度可達50~60km/hr,不過學生的紙彈我覺得都有點過大過重。


實驗影片:觀察完前兩個班級的操作,在第三個班級先說明了上述問題,實驗終於流暢一些。




功能轉換分析:數據處理是進階工作,彈力位能的部分要說明一下。
彈力位能軟換成動能的效率頗低,有一半都低於50%的轉換率。


2019年11月6日 星期三

讓學生對微米世界有感的微觀世界度量衡~可列印測微尺

        預期目標:是學生在觀察與紀錄時,能夠用毫米或微米描述顯微鏡下的觀測物,並概略了解顯微鏡下數十微米到數百微米的物體,在一般最小刻度是0.5毫米 (500μm)直尺上所佔寬度。
        微觀世界需要顯微鏡輔助觀察,觀察時大多只知道用了多大的倍率,鮮少直觀的了解被觀測物的大小,無法與實際生活經驗結合,若想使用市售測微尺,有會面臨取得不易、容易破損等問題。
         一般使用者的觀測需求或許也不需要到市售測微尺 0.01mm如此細小的刻度,且印表機標榜可達 1200dpi的列印解析度,換算下來應可印出 0.022mm左右的精細度才對,那就自己來畫個刻度較大的測微尺,預定繪製間隔 0.1mm、0.2mm、0.5mm,三種規格,

使用方法如下:可參考此說明檔

1.下載檔案(連結)並列印,可列印於一般紙也可使用透明標籤紙,目前測試發現在影印紙上能列印出較細線條,建議列印線間隔 0.2mm (200μm) 檔案,較能兼顧觀測需求與精準度,線間隔  0.1mm(100μm)可能因為進紙滾動,反而較不穩定;線間隔  0.5mm(500μm)則大概只適用於 4倍物鏡。
       列印時請設定不變更比例列印,然後儘量設定較高 dpi 列印,每個檔案裡有6組測微尺如下圖,印出後可用一般直尺校驗,每組測微尺寬度都是 2cm,使用者自行依需求剪裁即可



2. 估算視野範圍實際寬度,作為後續觀察物大小的推估依據
      列印裁切後可直接置於顯微鏡下,直接觀察並記錄視野範圍中的線數量,或是利用手機拍攝,用來進一步推估視野範圍總長度,進一步再紀錄被觀察物,然後以野範圍總長度做為比較基準,推估被觀測物大小,下圖中有 11條黑線,視野範圍總長度約 11*0.2mm,亦即 2.2mm,依此比例尺可推估相同放大倍率下物體的大小。

對照直尺,直尺每格 0.5mm,以列印線11條推估視野範圍總長度約為 10.5*0.2mm,亦即 2.1mm,概略符合直尺刻度,

3.進行視野範圍物體寬度估算
       若是觀察物適合上方金相打光,也可直接將標的物放在上方做對照,有防水需求則貼上一層透明膠帶即可。



如下圖是朱槿花粉在低倍 (15X4,手機放大4倍)下觀察,背景中線距為 0.1mm (100μm),可以看出或直接量出朱槿花粉約0.15mm的0.2mm(150~200μm),符合實際尺寸。此版本線條過粗,因此後續有重新繪製,但間隔 0.1mm精確性穩定度仍不如線距 0.2mm的版本。

切換到高倍 (15X10,手機放大4倍)下觀察

實際尺寸標示如下
下方為線距為 0.2mm (200μm)印在透明標籤紙上,剪裁後貼在載玻片,上方再貼上一層透明膠帶防水後,直接用以測量孤挺花粉與鞍甲輪蟲如下


上方兩張,是以既有視野寬度為416μm為基準,測得線距偏差約正負 10μm。

 上方兩張,是以線距 200μm作為基準,進行鞍甲輪蟲尺寸標定,與下方用已知視野寬度416μm進行測定,差距在10μm內。
 鞍甲輪蟲尺寸標定

黃金葛氣孔大小標定

真要進行研究,必定需要測微尺,而一般的觀察者,利用這邊提供的檔案,自行印製此測微尺,輔助觀察,好處是能較直接了解顯微鏡下如花粉、孢子、微生物等微小物體的實際尺寸,更能連結微米尺度的世界。

學習單還沒弄好,找空閒時間再來弄了。

最後,感謝學校中給予器材與設備協助的你與妳,以及FB社團藝名王小發的各項協助。

後記:
1. 檔案線條設定寬度0.013mm,實際印出寬度為0.05mm,未達印表機標榜1200dpi,推測1200dpi精準度是伺服馬達定位精準度。
2. 列印條件為1200dpi,無縮放,軟體列印支援度不同,最佳軟體為 Foxit reader ,其次為 Acrobat reader ,Pdf x changer viewer 無法支援。

3.原來阿簡老師已經畫過了,可以參考 https://a-chien.blogspot.com/2015/10/asymptote.html…

4.阿簡老師網頁中提到的 岩手県立総合教育センター提供的Pdf檔案
http://www1.iwate-ed.jp/…/3_seibu…/microscope/microscope.pdf

5.依循阿簡老師網頁的說明,仿製可以進行詢字活動的練習用玻片,連結在此,每張36組,每組有一大一小兩個正方形表格,大表格邊長12mm,每一小格2mm,小表格邊長6mm,每一小格1mm,可以概估看到的視野寬度。
玻片如下,可以進行尋字活動,並練習倍率切換
下方為15X4,手機放大1.7倍,目標物是小表格的字母Z,視野範圍大約2.2mm
切換到為10倍物鏡,手機保持放大倍倍率,目標物是小表格的字母Z,視野內範圍應縮減為4被物鏡的 0.4倍,大概比先前一半少一些。

上述方格邊長 1mm,似乎很方便用於估計視野實際寬度,有面積要做氣孔、細胞等計數也方便,就又畫了邊長200μm、400μm、500μm 的方格,一樣每條寬 2 cm,設定不變更比例、1200dpi 列印,印出後可以對照直尺檢查一下,下載連結  200μm400μm500μm

使用顯微鏡觀察影像如下,方格範圍一樣是黑線加留白為一組,如下方圖形的黃框或紅框皆可,個人偏好紅框的方式框選,用網格,更容易概估視野的實際寬度。

















2019年10月28日 星期一

利用Phyphox 聲學碼表進行牛頓第二運動滑車實驗之三~器材自製與實驗操作

撰寫本篇,目的在於協助經費與器材不足的同好,能有自製低成本的實驗器材的參考依據,不再贅述細項做法,直接看圖。

1. 自製滑車(開關版30元/片,輪子15元/個)
   

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2. 桌邊滑輪(15元/個)

3.拉力繩
4.安全繩
5.砝碼(3元/片)

6.釋放裝置(鐵架附鐵環、螺栓、答案卡)

裝置架設完成圖
操作相關數據
1.滑車重(車加6鐵環)487g,重錘重(2鐵環)127g 總重614g



2.滑車重(車加4鐵環)393g,重錘重(4鐵環)221g 總重614g

    


 


3. 滑車重(車加2鐵環)296g,重錘重(6鐵環)318g 總重614g



4. 動摩擦力測量



5. 數據分析與作圖
(1)不含動摩擦力:誤差率在15~30%

(2)含動摩擦力:誤差率有機會低10%