電子與電學

中三級

(練習與實驗)

第一章 交流電及用電安全

活動一

在現代大城市中，我們每天都在製造廢物。試想想，如果我們每天產生約一公斤的廢棄物料，那麼全香港數百萬人，每天合共會產生多少公斤的廢棄物料呢？

試從互聯網中找尋不同國家對廢棄料處理方法的資料，參考他們怎樣處理廢物。然後再建議一種在香港可行的廢棄料處理方法。(提示：可嘗試找尋關鍵字「廢物處理」或“waste treatment”。

小測驗

1. 什麼是交流電？
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2. 當一個電路理的電流大於保險絲的限定電流時，保險絲會發生什麼事情？
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3. 小型電路斷路器是依靠什麼作啟動開關？
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第二章 現代電子的應用

活動一

- 將學生三個人分為一組，試從報章、雜誌或互聯網中找出任何兩種最新電子科技產品的資料，然後記錄下來。

- 向全班匯報你搜集到的資料，介紹這件產品的特點及用途等。

活動二

以討論方式，激發同學思考能力，藉以了解電話、電視、收音機對日常生活的正面與負面影響。

步驟：

1. 同學分成四組，事先公佈討論主題，讓學生回家蒐集資料。

2. 四組各推選一位主席、一位紀錄。

3. 每人將蒐集資料提出，由小組共同討論，討論後繳交書面報告，並摘要向全班明。

4. 教師需隨時注意討論中的冷場時刻，並適時加入意見或資料，以維持討論時的踴躍氣氛。報告結束後，對討論熱烈及資料準備詳盡的小組加以獎勵。

小測驗

1. 試舉出三種發電廠對環境造成的影響。
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2. 舉出你家中所用的任何一種電子科技產品，並解釋它的用途。
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3. 電腦可以應用在很多方面，試舉出其中兩種。
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第三章 計數器及音訊放大器

活動一

計數器電路在電子學上的應用很廣泛，試從互聯網上或圖書館中找出計數器電路的其他應用。(提示：你可以搜尋關鍵字「計數器電路」或“counter circuit”。)

小測驗

1. 普通的電晶體在電路裡幾乎能放大所有電流訊號，而音訊放大器主要放大的又是哪一種電源訊號呢？
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2. 放大器電路分為哪兩種？
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3. 推挽放大器電路中的分相器有何作用？
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4. 哪種放大電路不需要使用分相器呢？
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5. 什麼是二進制計數法？
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6. 列出三種最常用的計數器。
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實驗一

簡介：

晶體管的用途雖然是作為放大器或開關，但在不同的零件配合下，也可以令電路有不同的功能。

在這個活動中，我們會設計一個閃光燈。小的閃光燈有很多的用途，將它放在一個小盒子或肥皂容器裡。小閃光燈可放在桌子上，萬聖節前夕，亦可使用此閃光燈。把它開動，丟進切開的南瓜燈內。

材料：

- 九伏特直流電池

-100mF, 15WV DC 電解質電容

-4.5V 直流燈泡

-GE2 晶體管(Q1)

-GE8 晶體管(Q2)

-100KW 電阻(R1)

-100KW 電阻(R2)

-2.7KW 電阻(R3)

-470W 電阻(R4)

-單刀單擲開關

-鑽孔的電路板

步驟：

1. 在板上畫出接線圖。

2. 確定閃光燈可以工作。

3. 將連線換至鑽孔板上。

4. 將接點焊接。將接點以熱縮管包著，避免短路。

5. 將閃光燈裝在所需容器內。

第四章 電子裝置的製作

活動一

在遊樂場或嘉年華會裡，我們很容易會找到通電遊戲的攤位。在遊戲中，我們用一根連著電線的鐵棒穿過鐵線。在遊戲的過程中不可以接觸到電線，一直把鐵棒到達終點為止。

認識了電烙鐵的用法後，我們可以用它製作簡單的習作，這個通電遊戲的習作。根據下圖，設計並製作一個通電遊戲，燈泡、開關及電源部分實作的電子零件替代，你還可以加上蜂鳴器或防盜器作聲響，使遊戲有聲光的效果。

每位同學設計及製作通電遊戲的裝置，絲可彎成喜愛的圖形，手及鐵圈要自行設計及製作。通電後可分組比賽，看誰手眼協調能力及耐性較好。

小測驗

1. 電烙鐵架有什麼功用？
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2. 印刷電路板對比傳統的電路有什麼優點？
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3. 在測驗電容器時，如何辨別電容器的好與壞？
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實驗一

完成電子電路設計之後，就需要為產品繪畫印刷電路板的底圖。繪畫電路板的底圖有以下幾個規則：

1.電路圖中的元件形狀和印刷電路板的分佈要整齊均勻，元件之間要互相平行或垂直。

2. PCB 作垂直放置時，較大或較重的元件應放在板的下方，而需要調整和更換的元件就放在上方。

3.盡量將輸入部件和輸出部件隔離，以免互相干擾。

4.各元件之間的連接導線不能相互交疊，亦不要迂迴及太遠。否則可用接線連接。

完成光控變音器的電路便可設計它的印刷電路底圖，光控變音器的電路圖如下：

設計要點：

-印刷電路底圖上的元件必須放在平面上，

不得交疊。

-連接的線路盡量不能交錯。

設計圖：

-把設計好的電路圖繪畫在畫紙上。

製作：

-把設計好的底圖製成電路板，並測試電路能否正常運作。

第六章 基本電子元件及電腦輔助設計

實驗

目的：

學習使用Crocodile Clips。

步驟：

1. 按下 “半導體零件” (discrete semiconductors) 按鈕。

2. 然後會出現以下工具列，按下 “二極管” (diode) 按鈕。

3. 畫面會出現四個不同方向的二極管符號。

當按下指向下的符號時，會在繪圖區加入下面的符號。

陽極

陰極

這個符號的頂端稱為陽極，或稱為二極管的正極。而底部稱為陰極，或負極。符號中間的箭頭方向代表電流的流動方向。真正的二極管零件會在陰極位置畫一條紋作為記號。

4. 在繪圖區畫出下列線路。

你可以自動設定電流表的量度範圍。首先選擇 “Measure” (量度)，再選擇“Meter Control” (電表控制)。

最後在 “Meter Autorange” (電表自動設定範圍)的方格打勾。

5. 按下開關，燈泡就會亮起。當二極管通電時的狀態稱為前向偏置(forward-biased)。如果使用其他零件代替二極管，電流就會稍為大一點。

6. 加入一個和燈泡並聯的電壓表。

7. 你會發覺，通過燈泡的電壓是8.26V，並非是和電池一樣的9V。

8. 電壓其實是 “消失” 在二極管裡，你可以如下圖加入第二個電壓表。

兩個電壓表讀數加起來並不等於9V，為什麼呢？其實，當電池提供一個大的電流時，電池的 “內電阻” 會佔用一部份的電壓，因此電池兩端的電壓會減少了。

通過二極管的電壓稱為前向電壓(forward voltage)。用矽物料製造的二極管，前向電壓大概是0.7V左右，不過還要根據流過的電流量來決定的。

9. 使用 “鱷魚嘴”來消除二極管符號，然後放進一個向上的二極管符號。

由於電流太小，電流表的讀數是0.00，差不多所有電壓都被二極管佔用了。不過，有一個非常微小的電流通過二極管，這稱為漏電，因此燈泡會有0.04uV的電壓。

10. 清除所有零件，重新畫出下面兩個線路，研究二極管的最高功率。

一旦關上第一個線路的開關，二極管就會立刻燒毀。

11. 現在，關上第二個線路的開關。一路增加電池電壓，直到二極管燒毀。

這個電壓代表二極管最高可承受的反向電壓(reverse voltage)。

第七章 複振器的認識

實驗

簡介：

一個雙穩態複振器(或稱為「閂鎖」或「反相器」)有兩個穩定的狀態。根據輸入的訊號，雙穩態複振器會輸出邏輯0 或1 的訊號號。

一般的情況下，雙穩態複振器會被用在記憶裝置上。例如是防盜警鐘，當有人在晚上偷偷進入房子裡的時候，不小心踏上開關或打開窗戶觸發警報時，警鐘就會響起，並且保持一直響鬧的狀態，直至有人重設系統為止。雙穩態複振器的防盜警鐘可以記住這個個有不速之客闖入的訊號。

在這個實驗中，我們會利用Crocodile Clips 模擬一個雙穩態電路的運作。

步驟：

1. 首先用 “非及”(NAND)閘在繪圖區畫出下面的雙穩定器。

在上面的線路中，兩個非及閘互相連接。其中一個非及閘的輸出接在另一個非及閘的輸入位置上，如此類推。在真實的線路裡，你必須將兩個雙穩定器的輸入位置，用拉高(pull up)電阻連接在正極電源上。也就是說，非及閘雙穩定器的輸入必須保持在邏輯訊號 “1”，直到其中一個按鍵開關被按下。

2. 選擇View(檢視)中的 “Logic Signal”(邏輯訊號)，就可以檢查線路中的所有邏輯線路的狀態。

3. 如果你忘記將電源設定為5V，會發生什麼事？

4. 如果將同一個開關連續按兩至三下，會發生什麼事？

這種雙穩定器稱為 “設定-重設”閂鎖，雙穩定器，或正反器，下面是它的符號。

雙穩定器的符號。

當Q輸出 “1”，這個閂鎖就被 “設定”；相反地，當Q輸出 “0”，這個閂鎖就被 “重設”。而的輸出通常都是Q的相反狀態，即當Q=1, =0。

這種閂鎖的輸入位置標籤為和，也就是說，這兩個輸入是屬於 “active LOW”(低有效)的，即需要 “低”的脈波訊號來設定或重設閂鎖。

還有一種設定-重設閂鎖，稱為S R雙穩定器或正反器。不過，這種閂鎖是 “active HIGH” (高有效)的，即需要 “高”的脈波訊號來設定或重設閂鎖。

S R雙穩定器的符號。

要選擇S R雙穩定器，可以按下面的集成電路按鈕：

然後就會出現下面的集成電路工作列：

5. 要清除繪圖區裡的所有物件，先在 “Edit”(編輯)裡按 “Select All”(選擇所有)，再按下鍵盤上的 “Delete”(清除)。

6. 現在，按下工作列最左邊的符號，選擇 S R雙穩定器，放在繪圖區裡。

7. 畫出下面的線路：

8. 嘗試按下開關，來設定或重設雙穩定器。邏輯訊號顯示器代表了之前的串聯電阻/發光二極管組合。兩個拉下(pull down)電阻的作用是當開關被按下時，設定和重設輸入位置便會產生邏輯訊號 “1”。

你知道S R雙穩定器為何有這些相同的功能嗎？其中一個方法是在 “非及”(NAND)閘線路裡加上 “非”(NOT)閘。另一個方法是用 “非或”(NOR)閘代替 “非及”(NAND)閘。下一頁是有關線路的詳加說明。

9. 畫出下面兩個線路，並了解它們的運作。

“非”(NOT)/ “非及”(NAND)版本的S R雙穩定器：

“非或”(NOR)版本的S R雙穩定器：

此外，S R雙穩定器也會以集成電路形式存在。它的型號是4043和4044。

其實，同一種功能的電子系統可以用很多種線路組合出來，尤其是具有閂鎖功能的線路組合。

10.清除繪圖區的所有物件，用單一 “及”(AND)閘組合出一個閂鎖。

這是一個很有趣的小型線路。首先關上電源開關， “及”閘的輸出和下面的

輸入位置都會處於邏輯訊號 “1”。

11.嘗試按一下左邊的按鍵開關。

12.你知道為什麼這樣就會設定閂鎖嗎？

13.如何才可以重設這個閂鎖？

14.用上面的線路組成一個簡單的組合鎖：

15.嘗試了解上面的線路運作，每個 “及”閘需要一個按鍵開關來操作輸出的訊號。

有一種型號4081的集成電路，裡面包括了四個 “及”(AND)閘，可以用來建

立一個四位數的組合鎖。你所需要做的，只是加上五個10kΩ的電阻和幾個

按鍵開關而已。然後，最後的一個“及”(AND)閘連接到輸出裝置上，例如電

線圈鎖。

第八章 電和磁的關係

活動

本活動將製作一個簡單電話，能使你的聲音產生微弱的電流而傳送訊息。

工具及材料：

紙片、紙杯(可以使用其他材料替代)、磁鐵棒、漆皮線一綑、電話線、尖嘴鉗、美工刀、膠水、雙面膠紙、剪刀等。

步驟：

1.從紙皮上剪出一個星星的形狀和兩條紙片，如圖中橙色的部分，依圖示組合成錐形的支架。

2.將藍色紙片捲在鉛筆上，塗上膠水形成一個紙管，兩端黏上圓紙片後，繞漆皮線形成螺線管。

3.將螺線管的一端固定在橙色的支架中心。

4.將短磁鐵棒(半徑約5x20mm )垂直黏在白色圓紙板的中央，磁鐵棒穿入線圈(確定沒有觸及邊緣)，並將圓紙板黏在圓錐體上。

5.將電話線穿進杯內，其兩股分別銜接線圈兩末端，然後將震動片塞入杯內。重複前述所有步驟製作另外一具電話。

試試看：

1.請你與同學距離約五米，並試著用你的電話聊天。

2.將另一具電話的電話線接到音響的喇叭輸出端，可以聽到音樂嗎？

問題與討論：

1.影響通話品質的因素有哪些？

2.如何提高電話聲音的清晰度？

小測驗

1. 在磁生電的實驗裡，如何增大感應電動勢？
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2. 什麼是自感現象？
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3. 舉出一種增加電感器裡的電感量的方法。
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第九章 基本電路理論

小測驗

1. 甚麼是電功率？它的單位是甚麼？
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2. 電路中，電流所做的電功與電源供應的電能有甚麼關係？
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3. 試寫出計算電功率的三個公式。
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4. 計算以下電路的電功率：

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習作

很多電子系統具備計數功能，而很多系統都是以1和0來做為最基本的單位。也就是說，計數器只可以計算1和0，這就是所謂的二進制計數法。

發光二極管

1. 接駁電池到計數模組

如顯示器不亮起來，請檢查電線是否有問題。

2. 按幾下“計數”開關

按開關的次數應該會在顯示器上顯示出來，而發光二極管(即燈號)會交替發光。

3. 重覆按下“計數”開關，觀察顯示器

顯示器應該會不斷顯示0到9的數字，然後到英文字母。你知道原因嗎？

為什麼有些字母是大寫，有些是小寫？

4. 按下“重設”開關

所有燈號應該會熄滅，然後顯示器會顯示0。

重設記數器的意思是說將計數器設回到0。

在計數器自己重設回0之前，需要按多少次的計數開關？

5. 每當按下和放開計數開關的時候，小心觀察燈號。

請問，燈號是怎樣隨著計數開關的按下而改變的？

自動重設

1. 如圖，將電線的一端接駁到4號插位上，並將另一端握在手上。

2. 按下計數開關直至4號燈亮起。這時候，插位上的訊號屬於 “高”(即是 “1”)。

3. 將你手上的電線連接到重設的插位上。你應該會見到計數器被重設回0，這是因為重設訊號令到計數器變回0。

4. 按多兩下重設開關，令到2號燈亮起。將手上的電線接觸一下重設插位。你應該會見到計數器不被重設。要重設計數器，重設插位必須提供一個 “高” (即是 “1”)的訊號。一個 “低” (即是 “0”)的訊號不會構成重設。

5. 現在，將手上的電線插在重設插位上。

6. 斷續地按下及放開計數開關。你應該會看見顯示器顯示出0到3，然後重設回0。你知道這是為什麼嗎？在你第四次按下開關的時候，4號插位的訊號變成 “高”。電線負責將這個訊號傳送到重設插位。因此第4次按下開關會令到計數器重設。為什麼我們看不見4號燈亮起？這是因為4號燈亮起的時間太短。在它亮起的一瞬間，即時重設計數器，然後所有燈號熄滅。

7. 除了重設4，你可不可以利用手上的電線重設8？

脈波器

1. 如圖，接駁好電線。留意計數器發生了什麼事。

2. 轉動脈波器，計數的速度發生了什麼事？按下及放開計數開關會產生一個脈波。但脈波器會長時供應很多脈波，這和時脈器很相似。

現在你可以使用計數模組來建立一些有用的電子系統。

遊樂場

電子系統應用在遊樂場的很多設施上。例如：

l 控制旋轉木馬的速度

l 檢查安全裝置是否啟動

l 限制旋轉木馬乘客的數量

l 控制鬼魂列車上鬼魂的數量

遊樂場的主管要負責摩天輪的安全。你可以幫到他嗎？

‘每個摩天輪的包廂只可以載四名乘客，絕不能超過這個數目。我需要一個旋轉柵門，當四個人進入後，可以自動鎖上。’

1. 將計數模組和決定模組拼合起來，再如圖接上電線。

2. 按下重設開關。

3. 重覆按下計數開關，直至蜂鳴器響起。請留意，你需要按多少次的開關呢？

4. 現在將電線移到2號插位上。這次要按下多少次的開關才可以使蜂鳴器響起呢？

5. 如果想蜂鳴器在每按4次開關後響起的話，應該如何接駁電線？

你看得出這對遊樂場的主管有什麼幫助嗎？

每當摩天輪旋轉柵門轉動一次，門上的感應器就會產生一個訊號。當產生四個訊之後，蜂鳴器就會響起，就正如之前的系統。我們亦可以使用繼電器來作為開關。將電線連接起蜂鳴器和繼電器也可以做到同樣的效果。繼電器可以用來驅動一個電動機，然後啟動旋轉柵門上的鎖。