Hello Motor！探索STEAM道路｜星島教室

STEAM的課程規劃正正就是要做到把各學科連結起來，透過課內外的結合，舉辦不同活動，提供機會讓學生展示運用各科知識和技能，營造校園氛圍，提升學生對STEAM學習的興趣，並培養出學生在未來所需的態度和技能，達致終身學習。

今時今日電動車愈見普及，在車水馬龍的路上俯拾皆是。未來是科技帶動生活的世界，今天與大家談談汽車。最近在學校舉辦的STEAM WEEK中，本校任教科學科的容尚君老師與中三級學生一起在課後進行科學實驗，讓學生了解馬達（motor）的原理。

單極馬達 構造原理

一般電動馬達為了使綫圈持續旋轉，需要利用整流器改變綫圈中電流的方向。然而在1821年，英國物理學家法拉第設計了第一台單極馬達，可持續旋轉而不需要改變電流方向，因此被稱為「單極馬達」。

單極馬達的構造十分簡單，只需要一粒強力磁鐵、AA電池和銅綫。首先，將強力磁鐵置於AA電池底部，再將彎折好的銅綫放在電池上，銅綫就會旋轉。它的原理與一般電動馬達相同，都是利用「電磁感應」將電能轉化做動能，根據右手定則，當電流通過銅綫時，銅綫周圍會產生感應磁場，而強力磁鐵本身的磁場與銅綫的感應磁場產生吸引與排斥，引致銅綫的旋轉。如果將強力磁鐵上下顛倒，銅綫的旋轉方向亦會反轉。

 

在高中物理科——電和磁的課題中，學生認識到電流和磁場之間的關係。透過單極馬達的小實驗，讓學生探索如何利用綫圈檢測磁場，了解電磁感應在日常生活中的各種應用。除了培養學生對學習科學的興趣，亦希望學生能體會到科學知識對人類文明發展的重要性。

中國現代化的大motor

文科和理科所學的，不是完全割裂，殊途同歸也是為了人類文明發展謀福祉。歷史科和中國歷史科課程亦對中國現代化和近代工業建設歷程有所涉獵。科技的發展往往與國力直接掛鈎。新中國成立後，百廢待興、一窮二白，致力擺脫列強在各方面的控制，走出自己的路，中國現代化是一次艱辛的奮進過程。

在頤和園文昌院博物館中，展示一輛有人說是慈禧太后坐過的車（上圖），亦有人研究這輛汽車是否中國進口的第一輛汽車。無論如何，這輛來自西方的汽車見證了中國由帝王時代走向共和時代。毛主席在建國初年曾說中國未能自製汽車、飛機等。直至1956年，中國第一汽車製造廠——長春第一汽車製造廠，出產首輛國產汽車——解放牌汽車（下圖），標誌着新中國汽車工業的誕生，結束了我們不能批量製造汽車的歷史。隨後數年的奮鬥，產出了躍進、長征、紅旗和黃河等屬於我們國家、我們人民、我們民族的汽車品牌。

氣墊船運作方式

製作氣墊船的原理可以按其結構，大致分為3個系統︰

1. 浮升系統：將空氣吹入船底，運用氣壓令船隻抬升

浮升系統可以由風扇和氣室組成。風扇把空氣吹入船隻底部，氣室把空氣困住，形成高氣壓，從而產生升力支撐船隻。當氣壓產生升力相當於氣墊船的重量時，船隻便會升起，空氣經船底與行駛表面的空隙流出，形成氣墊。這層氣墊能減少船底與行駛表面的接觸，減少摩擦力，故能提高行駛速率。

2. 推進系統：提供推動力令船隻行駛

當風扇按特定方向轉動時，它會施力於空氣，把空氣推向船的後方。根據作用力及反作用力原理，空氣會把船隻推前，使其行駛。至於風扇的驅動則要依賴由Micro:bit編程及馬達（motor）的製作和接駁。

3. 控制系統：控制船隻的行駛方向

氣墊船能轉向是透過利用船隻的重心位置及推動力的方向形成力矩。物件重心的位置受其形狀及重量分布影響。至於力矩有方向性和大小。若同時有多於一個力施加在氣墊船上，它們共同形成的力矩會影響船隻的行駛方向。

這個項目不需要使用太多的零件和工具，而且步驟簡單易行。學生可以在實驗過程中，學習如何使用Micro:bit控制馬達的轉速，以及如何設計和改進氣墊船模型，使其更加穩定和靈活。

探究問題

1. 甚麼是單極馬達？它的運作原理又是甚麼？

答：單極馬達是一種電動機，它需要有強力磁鐵、AA電池和銅綫才能運作。當電流經過銅綫時，會在銅綫周邊產生磁場，並與強力磁鐵本身的磁場產生吸引與排斥，從而產生轉動的力。

2. 單極馬達主要用於哪方面？

答：單極馬達主要用於需要輕便、簡單結構和低成本的應用，如玩具、家用電器和低功率工業設備。

3. 解放牌汽車的誕生有甚麼歷史意義？

答：解放牌汽車的誕生，結束了中國不能自己製造汽車的歷史，中國汽車工業亦終於實現了從無到有的突破。

4. 為甚麼氣墊船的航速比一般的船隻快？應用的層面如何？

答：氣墊船是一種以空氣在船隻底部襯墊承托的交通工具，這層空氣能減少船隻航行時與移動表面產生的阻力，因此行駛速度比動力輸出接近的一般船隻快，故應用層面廣泛，如客船、救援船等。雖然民用的氣墊船漸被淘汰，但因其特點，氣墊船登陸艇卻受到軍隊的青睞。

文：裘錦秋中學（屯門）校長、教育評議會執委陳月平博士，裘錦秋中學（屯門）科學科老師容尚君，及裘錦秋中學（屯門）中文科、中史科老師張鎮良

本欄逢周四刊登，由教育評議會邀請資深中小學老師、校長及大學講師撰稿，旨在為學生提供多元化的STEAM學習材料，引發學生探求知識的興趣，將學習融入生活，培養學生的世界觀、敏銳的觸覺、積極學習的態度。 

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