小學科學專題研習

座無虛設

學校：

保良局世德小學

組員：

張瑋謙同學、羅振祥同學、林惠婷同學、阮沛豪同學、謝家輝同學

教師：

黃玉芬老師

意念

設計意念的來源：

　　每次乘坐巴士都看見一些乘客愛登上巴士上層找座位坐。間中會看見一些乘客因上層滿座而尷尬地步回下層。若果是帶著小孩子的女仕或是年老的長者，他們更要冒著巴士行駛時左搖右擺的危險，小心奕奕地扶著扶手走落下層。

　　大家到電影院購票時，可以通過售票處的電腦顯示屏知道戲院尚餘的座位情況。因此我們想如果在巴士下層有一個顯示屏，能顯示上層座位的使用情況，就可以減少上述的狼狽情形。所以我們構想了「座無虛設」這項發明。

　　當乘客坐在座椅上的時候，顯示屏上連接這座椅的燈泡就會熄滅，車廂下層的顯示屏就表示這座位已坐了乘客。當乘客離開座位，燈泡就亮起，表示該座位可供乘客使用。

同學正討論意念的可行性

同學們在網上搜尋相關資料

用途

　　「座無虛設」讓我們不用特地上落樓梯都可以知道巴士上層有沒有座位。只要安裝「座無虛設」和顯示屏，就可以使用。如果上層有座位，顯示屏上的燈泡就會亮起來，上層沒有座位時，顯示屏上的燈就會熄滅。只要看看安裝在巴士下層的顯示屏，就可輕易知道上層有沒有座位了。

同學們嘗試接駁電路

老師正在指導同學

假設

　　在我們製造這個發明時，曾假設很多製造方法，現在讓我們逐一介紹吧！

利用模型嘗試並聯及串聯電路

■ 我們想到用紅外線熱能感應器從上射下，來探測座位上有沒有乘客。當有乘客坐下，紅外線感應器就會感應到人體的熱力，顯示屏的燈泡就會熄滅，表示座位已被佔用。

■ 我們又想過用光線感應器，一部分安裝在前排座位的椅背，另一部分安裝在座位的靠背上來探測，但是安裝複雜而且價錢貴，所以我們決定放棄使用光線感應器。

■ 最後，我們想到利用人體的重量，配合磁力同極相斥的特性和「閉合電路」的原理，來顯示座位有否被佔用。它的結構簡單，而且成本低、準確度高。因此我們決定選用這種方法。

原理

初期構思：

　　初時我們構思這個裝置是利用人體的重量和「閉合電路」的原理。在座椅內裝置彈簧、銅片、電線等感應器來探測座位有沒有被佔用。

　　當乘客坐在座椅上的時候，乘客的體重會令兩片銅片互相接觸，形成閉合電路，下層顯示屏連接這座椅的燈泡就會亮起，表示這座位已坐有乘客。乘客離座後，彈簧使銅片分開，電路中斷，燈泡熄滅。

構思中的「磁力台」模型

後期構思：

　　後來我們在試驗、製作和討論的過程中，對初期的想法作了以下的改良。除了保留利用人體的重量外，我們

1. 利用磁力同極相斥的特性來代替彈簧的功用。

2. 放棄用銅片而改用感應掣來控制閉合電路的開關。

3. 顯示屏顯示的訊號變為燈泡亮起代表該座位空出；燈泡熄滅代表已坐了乘客。

　　原理是當感應掣被壓下時，閉合電路中斷，燈泡就會熄滅，表示這個座位已被乘客佔用。當感應掣升起時，回復閉合電路，顯示屏上的燈泡亮起。

材料

實驗階段

1. 彈簧兩條：

當乘客離開座位，壓力消失，彈簧就會令兩塊銅片分開，使閉合電路中斷。

2. 銅片兩塊：

銅片合在一起，形成閉合電路。銅片分開，電路中斷。

3. 電線數條：

連接成「閉合電路」。

4. 燈泡：

顯示巴士上層有沒有座位。

5. 卡紙：

製造顯示屏及「座無虛設」裝置的外殼。

改良階段

1. 環形磁鐵八粒：

配上膠片，組合成「磁力台」組件，代替彈簧的功能。

2. 感應掣一個：

感應掣向下按，閉合電路中斷令燈熄滅。感應掣彈起，回復閉合電路。

3. 電線數條：

連接成「閉合電路」。

4. 燈泡：

顯示巴士上層有沒有座位。

5. 電阻：

燈泡不能承受高電流，故安裝電阻以減少電荷。

6. 電池：

供應電力。

7. 透明膠片：

用來製作「座無虛設」裝置，包括磁力台及模型外殼等部分。透明外殼可讓我們看到內裏的配件和組合。

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設計

初步構思設計圖

改良後的座位設計

改良後的電路設計圖

操作方法

1. 在下層裝上燈泡顯示屏，方便乘客查看。

2. 在上層的座位安裝「磁力台」及「閉合電路」，連接下層的顯示屏。

3. 當有乘客坐在座位上，乘客的重量使座椅內的「磁力台」向下降，壓在感應掣上
令「閉合電路」中斷。這時顯示屏上的燈泡就會熄滅。

4. 乘客離開座位後，加在「磁力台」上的壓力消失，「磁力台」上升，感應掣彈
起，回復閉合電路，顯示屏上同一位置的燈泡就會亮起，表示座位空置。

工友協助焊接電路


完成後的磁力台模型	完成後的「座無虛設」真實模型

優點

方便乘客：乘客登上巴士後，只要看一看巴士下層的顯示屏便知道上層有沒有空出的座位。
減少意外：減少乘客因尋找座位，上落樓梯而可能出現的意外。
成本低廉：使用的材料只是感應掣一個、八粒環形磁鐵、膠片、一個燈泡和數條電線。
容易安裝：我們只要把「座無虛設」安裝在座椅下，再用電線連接到下層顯示屏的燈泡便可以了。

改良

實驗階段：

　　早期的構思中，做這個發明的困難是如何使銅片能在乘客離座後自動分開。我們選用了彈簧的彈力來解決這問題。可是彈簧會因長期使用而失去彈力。

後期改良：

　　在改良時，我們用磁力同極相斥的特性來代替彈簧，不但耐用，而且不會生銹。

其他改良方法：

　　每個座位都裝上「座無虛設」的裝置，線路的接駁會比較複雜，故此我們建議使用電路板及其他電子零件來解決線路複雜這個問題。它的好處是不需使用複雜的電線接駁方法。

感想

　　經過這次活動後，我對電的認識加深了很多，尤其是閉合電路。我覺得電十分有趣，因為它可以隨意配搭，還可以做很多實驗。我們在合作過程中，氣氛十分良好，同學之間又很合拍。當我們意見不同時，會一起討論。有時候老師會給我們一些寶貴的意見和教導。
（張瑋謙同學）

　　這次活動中，我學會了很多關於電的知識，例如：閉合電路等。以前我對電是沒有興趣的，但這個活動令我對電漸漸產生了興趣。另外，還令我體會到團隊精神的重要，如果我們不分工合作，一個人是沒法完成這件創作的。所以我覺得這個活動很有意義。
（謝家輝同學）

　　參加常識百搭比賽，我學懂了很多有關電的知識，加深對閉合電路運用的認識，例如：知道甚麼是電阻等。通過分工合作，互相討論，和同學的友誼也增進不少，真是獲益良多。
（羅振祥同學）

　　我很榮幸能夠參加「常識百搭」這個比賽。這次活動對我的意義真大。我在這裡學會了很多在課堂上學不到的知識。除此之外，我還結識了一些朋友，真開心。
（阮沛豪同學）

　　我很慶幸能參加這個比賽，開心之餘，又能學到很多知識，還結識了幾個朋友。「常識百搭」這個比賽引發了我的科學探究精神和創意思維，以前對電一竅不通的我，現在有了更深入的認識。
（林惠婷同學）

參考

蘇詠梅 (2002)：《小學科學專題研習》香港，香港教育學院
http://www.lljh.ptc.edu.tw/maillist/sir213/10-1磁.htm （磁力的特性）
http://www.lcsd.gov.hk/CE/Museum/Science/exhibit/1f/electric.htm （閉合電路）
http://www.kmb.com.hk/（九龍巴士有限公司）
http://www.audiodiy.idv.tw/（電阻器的介紹）

鳴謝

　　感謝張煥儀老師、黃衍華老師和黃玉芬老師在過程中悉心的指導及一名校工協助電路的焊接工作，使「座無虛設」可以順利完成。

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Copyright (C) 2004 HKIEd APFSLT. Volume 5, Issue 3, Special Section 1 (Dec., 2004).