自造你的科學實驗

資料來源
科學研習月刊57-08

賴雲立/
新北市江翠國中自然科教師

想像中的科學課程是什麼樣貌呢? 如果可以自己決定要怎麼量測數據,再做出所需的實驗儀器,並且測量後還可以改良修正它,這樣的活動會不會很有趣呢? 以上的想法在數位加工工具的普及,以及微控制器、感測器的利用門檻大幅降低後,已經能夠很方便地實現。這次藉由女性科學計畫的機會,分享一些實施的想法與設計,其中所需器材都是容易取得或是易於製作而平價的,因此實施時每名女學生都能有自己的儀器可使用,測量出自己操作得來的數據。這樣的器材也方便在日常生活中就能使用,隨時隨地都能科學一下。

 

 光譜儀與顏色觀察


在物理課程中,光學總能引起大家的興趣。多彩的色光透過光譜儀可以解構出潛藏其中的奧秘。課程開始先複習色光與波長的關係,光柵的原理以及如何利用光柵,例如光碟片如何當成光柵,利用光柵片將色光分開(圖1)。


圖1. 製作三原色燈,調整色光比例後觀察光譜

接著請學生自己動手做出簡易的光譜儀(圖2),零件是利用雷射雕刻機,按照事先畫好的設計圖,製作出來。


圖2. 分組實作光譜儀

分組後的女學生能夠合作及互相協助,使得每一名女學生都能將零件順利地組裝好,之後再利用轉接的夾具夾上智慧型手機的鏡頭(圖3)。


圖3. 自製透射式光譜儀與手機轉接拍攝夾具

利用手機下載應用程式,開啟應用程式後,就著日光燈光源的光譜做波長校正。校正之後的光譜儀就可以拿來觀測各種光源,得出波長(顏色)與強度的關係(圖4)。


圖4. 利用日光燈進行波長校正後結果

自製光譜儀雖然簡單,但也能達到一定的準確度,可以使用紅、綠光雷射筆或氣體光譜管來觀察測量(圖5)。不同顏色的光、不同顏料的顏色,在手上的光譜儀會呈現什麼樣的差異呢?


圖5. 測量不同色光的波長

另外,自製的光譜儀還有個有趣的部分,前端入光的狹縫寬度是可以自行更換的,狹縫的寬窄會影響入光量及光譜儀的解析能力。

在科學實作上,女性的特質有著更好的發揮,溫柔、仔細、體諒及合作,都能夠讓實驗更佳的完善。

 數位溫度計製作與冷卻定律的觀察

溫度與熱跟我們的生活息息相關,設想一個生活中的情境:如果泡好的熱咖啡要混合冰涼的牛奶,應該怎麼樣混合,才能在一段時間後,喝到溫度最低的咖啡牛奶? 是要立即加在一起? 還是分別放著,要喝前再行混合呢? 這個問題可以研究思考一下牛頓冷卻、物質比熱等種種因素來解決,或是我們可以利用自製的數位溫度計直接把結果做出來(圖6)。
 

圖6. 溫度計測量並利用手機即時呈現熱水與溫水的降溫曲線

數位溫度計是結合溫度感測器與可程式控制的微控制器製作的(圖7)。


圖7. 數位溫度計實做

比起常用的溫度計,最大的好處是數據可以無線傳輸至手機,並且即時在螢幕上秀出溫度變化的圖形,之後也可以下載數據利用軟體進行後續的分析處理。省去大量的紙筆紀錄工作,並且視需要增加感測器數量,還可以同時量測到多種液體的溫度變化(圖8)。所以,準備好您的咖啡與牛奶,來場探索與美味之旅吧。


圖8. 數位溫度計完成圖

以上介紹的實驗器材,因為是自行設計組裝的,所以當發現那裡可以改善時,隨時可以再調整精進。這樣的器材會隨著操作者成長,而操作者技術提升了,儀器也會量測得更好。對於此次參與科學實作工作坊的女同學,能夠動手做出自己的儀器,好好利用它,真是這個時代最幸福也最有趣的事。