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什麼是 STEM？
🔬
科學 Science
為什麼火車能跑得那麼快？電力、空氣阻力、摩擦力……都是科學在幫忙！
💻
技術 Technology
Dr.YELLOW 用雷射、攝影機和感測器，像超級醫生一樣檢查軌道！
🛠️
工程 Engineering
受電弓怎麼設計才能又輕又安靜？工程師們一直在改進！
📐
數學 Math
幾天檢查一次？跑多少公里要大修？數字幫我們算出安全計畫。
🗺️ 今天的學習路線
我們會依照這個順序，一步一步認識新幹線的科學與工程：
- 速度秘密 —— 軌距、車頭、馬達與轉向架
- 受電弓 ＋ 架線 —— 怎麼從空中「抓電」餵給火車？
- Dr.YELLOW ＋ 健康檢查 —— 黃色醫生怎麼幫新幹線看診？
- 保養車輛 —— 夜間的影子英雄在做什麼？
- 安全魔法 —— 天氣、地震、CTC 集中控制、ATC 自動剎車
- 一生 ＋ 外衣 —— 一輛車從出生到退役、怎麼塗裝？
- 地球好朋友 —— 為什麼新幹線比較環保？
- 訂票系統 MARS —— 電腦怎麼一秒處理很多張票？
- 未來磁浮 —— 超導磁浮（リニア）與上海磁浮有何不同？
- プラレール —— 玩具怎麼做？司機為什麼也用它訓練？
- 小測驗 —— 檢驗你學到了多少！
🚄 為什麼新幹線跑得那麼快？（速度的秘密）
新幹線為什麼能跑超過 270 km/h？秘密藏在「軌道寬度」和「車頭形狀」裡！
標準軌 vs 狹軌
日本普通鐵路（在來線）多用 1067 mm 的狹軌，新幹線則用國際標準的 1435 mm 寬軌。軌道越寬，火車越穩，就能跑得更快更安全！
左邊標準軌 1435 mm 右邊狹軌 1067 mm
車頭形狀的進化
車頭越尖、越流線，空氣阻力就越小，噪音也更少。從 0 系到 N700 系，車頭一直在變長、變尖！
從右到左：0系 → 100系 → 300系 → 700系 → N700系 車頭越來越長、越來越尖
科學小知識：當火車高速進隧道時，空氣會被壓縮產生「微氣壓波」（像打雷的聲音）。長長的尖頭可以讓空氣慢慢散開，減少噪音，這就是空氣動力學的應用！
馬達的進化 —— 讓輪子轉起來的心臟
博物館展示的馬達剖視：左邊較早期，右邊是 300 系三相交流感應馬達
300 系馬達比 0 系：出力更大、重量更輕、幾乎不用換電刷，保養更輕鬆
0 系馬達
直流馬達，約 185 kW、876 kg
有電刷，要定期保養
300 系馬達
三相交流感應馬達，約 300 kW、僅 396 kg
沒有電刷，更輕、更省事
STEM 小知識：同樣要推動列車，新馬達出力變成約 1.6 倍，重量卻只有一半不到——這就是工程師用新材料與新設計創造的「又強又輕」！
轉向架 —— 托住車廂的「腳」
轉向架（台車）：輪子、彈簧、馬達都裝在這裡，讓車廂能穩穩轉彎、吸收震動
每節車廂下面通常有兩組轉向架。彈簧和減震器像鞋子的鞋底，把軌道的顛簸「過濾」掉，乘客坐起來才舒服。
⚡ 受電弓大解密 —— 抓電的神奇手臂
受電弓（Pantograph）是火車頭頂上「抓電」的裝置。它從架空電線把電力送到馬達，讓火車跑起來，也供冷氣和照明使用！
受電弓如何從架空線取電（普通鐵路多用直流、新幹線用交流 25,000V）
主要種類
單臂型（現在主流）
更輕、更安靜，N700S 也使用
0 系（舊型）
- 下框交叉型
- 總重量約 944 kg（8 個）
- 安裝在多節車廂
300 系／N700S（新型）
- 單臂式
- 總重量約 320 kg（2 個）
- 更輕、噪音更小
重量差很多！新式只剩約三分之一
受電弓是怎麼做出來的？
從材料檢查 → 加工 → 組裝 → 塗裝 → 完成，一步一步精準製造
東海道新幹線歷代受電弓進化（從下框交叉型到單臂型）
工程小知識：新式單臂受電弓零件比較少，重量大幅減輕，跑起來聲音也更安靜。工程師還會在風洞裡測試，讓它在高速時保持穩定！
🔌 架空電線系統 —— 給火車「餵電」的空中電線
受電弓要抓到電，頭頂上必須有特別的架空電線系統，叫做架空電線系統（Catenary）。它讓電力穩定送到高速行駛的新幹線！
架空電線的三大零件：承力索、吊架、接觸線（トロリ線）
架空電線有哪些部分？
🔗 承力索（Messenger wire）
最上面的線，負責「吊住」下面的接觸線，讓它保持水平。
📎 吊架（Hanger）
連接承力索和接觸線的小掛鉤，像衣架一樣把線掛好。
⚡ 接觸線（Trolley wire）
最下面、跟受電弓直接接觸的線，把電送到火車裡。張力約 2.5 噸！
工程小知識：高速行駛時車身會震動，受電弓容易和接觸線分開。所以接觸線要用很大的力拉緊，讓它保持水平，才能穩定取電。
接觸線會磨損！怎麼知道該換了？
受電弓一直摩擦接觸線，線會慢慢變細。工程師發明了「磨耗警報接觸線」來監測磨損。
舊型：金屬線警報式（傳統型）
線裡面埋了金屬偵測線，磨到斷了就會亮警告燈（沿線每 2～3 公里一個顯示裝置）
新型：光纖警報式（2021 年起）
改用光纖偵測，指令所可以即時看到磨損狀況，更快發現問題！
技術小知識：從「沿線看燈號」升級到「指揮中心即時監控」，這就是感測器與通訊技術的進步，讓維修更安全、更有效率！
🟡 Dr.YELLOW —— 新幹線的「黃色醫生」
Dr.YELLOW 不是普通火車，它是專門檢查軌道和電線的「綜合試驗車」。它全身黃色，跑起來就像一位穿黃袍的醫生在幫新幹線做健康檢查！
Dr.YELLOW T4 編組（923 型）的七節車廂各有不同任務
七節車廂的神奇任務
黃色的「醫生火車」模型——Dr.YELLOW（923 形）
車頭特寫：和普通新幹線一樣流線，但全身黃色很好認
趣味知識：Dr.YELLOW 平常不載乘客，它跑在夜間或空檔時間，用超精密儀器幫新幹線「看診」，讓大家每天都能安全又快速地旅行！
車內虛擬參觀地圖——從 A 到 Q 可以選想看的地方
🔧 新幹線的健康檢查表
就像我們要定期看醫生一樣，新幹線也有嚴格的檢查計畫。這些計畫用到很多數學！
新幹線檢查與保養的四大等級
🔵 出車前檢查（Pre-Service）
大約每 2 天 一次
用眼睛看整輛車有沒有異常
地點：東京、三島、名古屋、大阪
🟢 交班檢查（Regular）
每 45 天 或跑 6 萬公里 以內
檢查電氣設備有沒有問題
地點：東京、大阪
🟠 轉向架檢查（Bogie）
每 20 個月 或跑 80 萬公里 以內
把輪子底下的台車拆開仔細檢查
地點：大阪
🔴 全面檢查（General Overhaul）
每 40 個月 或跑 160 萬公里 以內
整輛車大修，像做一次大手術！
地點：濱松
🧮 數學小挑戰
如果一輛新幹線每天平均跑 1,000 公里，大約多久會到第一次「轉向架檢查」（80 萬公里）？
提示：80 萬 ÷ 1,000 = ? 天 ≈ 多少個月？
答案：約 800 天 ≈ 26～27 個月（但實際規定是 20 個月內就要檢查，所以會更早！）
🌙 幕後英雄：保養車輛
白天跑的白色新幹線很耀眼，但夜晚還有一群「影子主角」在默默工作——保養車輛！它們在末班車跑完、首班車還沒出發的短短時間裡，把軌道和電線照顧得好好的。
N700S 是「光」，保養車與技術人員是支撐東海道新幹線的「影」
為什麼需要保養？
道碴（碎石）大約 20～30 年要換一次，還有軌道校正、電線檢查……都在夜間完成
新幹線跑很快，軌道和電線會慢慢磨損。技術人員和各種保養車在夜間短時間內，把設備維護到毫米級的精準，讓隔天大家還能安全又舒適地搭車。
保養作業車輛（軌道養護）
新方式道碴更換車、多重道碴搗固車、道碴整理車
🔄 道碴更換車（NBS）
一邊挖走舊碎石，一邊鋪上新碎石，一次完成，效率超高！
🔨 搗固車（MTT）
把軌道下的碎石用力「搗緊」，讓軌道更穩、坐起來更舒服。
🧹 道碴整理車（BR）
把碎石整理平整，並把軌道兩旁掃乾淨。
更多軌道養護機械
道碴安定作業車、鋼軌打磨車、長鋼軌輸送車
📳 道碴安定作業車（DTS）
給碎石加高速震動，讓新鋪的道碴更快穩定，隔天列車就不用「慢慢開」。
✂️ 鋼軌打磨車（RG）
夜間邊走邊用砂輪把鋼軌頂面磨平，減少噪音、預防裂紋。
📏 長鋼軌輸送車（LRA）
一次可運很多根超長鋼軌（約 150 m），送到現場換軌。
檢查用車輛
巡檢確認車、鋼軌探傷車、隧道檢查車、維修作業車
🔦 巡檢確認車
保養做完後，用燈照一遍整條線，確認沒有東西忘在軌道上。
📡 鋼軌探傷車
用超音波找鋼軌裡看不見的裂縫，提早發現問題。
🕳️ 隧道檢查車
靠近檢查隧道內壁，看有沒有裂縫或漏水。
牽引車與搬運車
軌道馬達車可以拉其他車輛；還有專門搬碎石、材料的車
以前沒有保養車的時候
以前要用很多人力拿工具搗碎石，又累又慢；現在機械化後又快又安全
電力保養用車
架線張力車、作業車、電桿作業車——專門照顧頭頂上的電線與電柱
起重機車、高空作業車、電纜架設／拆除車
檢查列車家族
工程用車裡的「檢查列車」專門邊跑邊檢查軌道、架空電線、信號
現在的主角：923 形 Dr.YELLOW（T4 編組），可在 270 km/h 高速下精密檢查
未來趨勢：一般載客列車（如 N700S）也會自己邊載客邊做簡單檢查，更頻繁、更有效率
普通鐵路的醫生：ドクター東海（東海博士號）
什麼是「在來線」（普通鐵路）？
日本把鐵路分成兩大類：
• 新幹線＝又快又專用的高速鐵路（像東海道新幹線）
• 在來線＝「原來就有的線路」，也就是一般的普通鐵路、電車線（速度比新幹線慢，但路線更多、更靠近住家）
簡單記：新幹線是高速公路，在來線是一般道路。
ドクター東海／東海博士號（キヤ95系）——專門檢查普通鐵路（在來線）的軌道與電氣設備
東海博士號模型（黃頭銀身）——它是普通鐵路的「醫生」，Dr.YELLOW 則是新幹線的「醫生」
STEM 小知識：保養車與檢查列車讓「夜間短時間、超高精度」的工作變成可能。從人工搗碎石，到機械化，再到營業車自己檢測——工程與科技一直在進步，默默守護每天數百萬旅客的安全！
🛡️ 新幹線的安全魔法（天氣與地震）
新幹線要對抗雨、雪、雷電和地震。工程師設計了很多「對策」，讓火車即使在壞天氣也能安全行駛！
天氣對策
雨對策・雪對策・雷對策
🌧️ 雨對策
在路堤和斜坡上做混凝土防護或框架補強，防止大雨造成土石崩落。
❄️ 雪對策
用灑水系統（Sprinkler）把雪灑濕，防止雪飛起來黏在車身上。
⚡ 雷對策
架空地線和避雷器，把雷電引導走，保護電氣設備。
地震對策（東海道新幹線）
三大地震對策：強化結構、提早停車、防止脫軌
- 結構強化：補強高架橋、橋墩、隧道，讓它們更能抵抗大地震。
- 地震防災系統：感測器偵測到 P 波（先到的地震波）就立刻通知列車減速或停車（世界最早的早期地震警報之一）。
- 脫軌防止：在軌道旁加裝防脫軌護欄，萬一脫軌也不會翻出去。
STEM 小知識：地震有兩種波——P 波比較快先到，S 波比較慢但破壞力大。系統偵測到 P 波就馬上動作，爭取幾秒寶貴時間讓列車停下來！
CTC —— 列車集中控制
CTC（Centralized Traffic Control）：從總指揮所集中管理號誌與轉轍器
新幹線從通車開始就使用 CTC。指揮中心可以遠端控制車站號誌、轉轍器（讓列車換軌道的裝置），並隨時看到每列車在哪裡，讓又快又密集的班次仍然安全。
ATC —— 自動列車控制（剎車的大腦）
新 ATC：從「多段階」剎車改成滑順的「一段式」減速，更舒服也更可靠
ATC 會依前方狀況自動限制速度；需要停車時，新系統能從高速一路平順減速到停止，乘客比較不會前後晃動。
指揮中心如何「看見」整條線？
綜合指令所 ↔ COMTRAC 運轉管理 ↔ CTC ↔ 現場的轉轍器與 ATC
綜合顯示盤：列車編號、所在位置（紅燈）、進路是否開通（綠燈）一目了然
🔄 一輛新幹線的一生
從發明、設計、製造、使用、保養到退役，一輛火車有完整的生命週期。每個階段都會把經驗回饋給下一代列車！
技術開發 → 車輛計劃 → 設計 → 製作 → 使用 → 保養 → 改良 → 最後退役
1. 技術開發
根據社會需要發明新技術
2. 車輛計劃
決定下一代火車長什麼樣子
3. 設計
工程師畫出詳細圖紙
4. 製作
工廠把火車做出來
5. 使用
每天載客人跑來跑去
6. 保養
定期檢查與修理
7. 改良
根據經驗做得更好
8. 退役
完成任務，光榮退休
🎨 新幹線的「外衣」怎麼穿？
新幹線的漂亮外殼不是一次塗上去的！它要經過好幾層特別的材料，才能又漂亮又保護車身。
塗裝四步驟剖面模型
- 環氧底漆（Epoxy Primer） —— 最底層，保護金屬不生鏽
- 不飽和聚酯膩子 —— 把表面填平，像補土一樣
- 中塗層（Suracer） —— 讓表面更平滑
- 聚氨酯樹脂塗料（白色） —— 最外層漂亮又耐用的顏色
材料科學小知識：這些塗料要能抵抗高速空氣的摩擦、雨水和陽光，所以科學家花了很多時間研究最好的配方！
🌱 新幹線是地球的好朋友！（SDGs 目標 13）
新幹線一直在變得更快、更省電，也幫助減少二氧化碳（CO₂），對抗氣候變遷。這跟聯合國的永續發展目標（SDGs）第 13 項「氣候行動」息息相關！
追求環保的新幹線進化史（SCMAGLEV and Railway Park × SDGs）
① 鐵路是很環保的交通工具
把 1 個人運送 1 公里時，各種交通工具排出的 CO₂ 差很多：
鐵路只有 19g CO₂／人・公里，汽車大約是它的 8.6 倍！
- 🚂 鐵路：19 g CO₂／人・公里
- 🚌 巴士：約 2.5 倍（48 g）
- ✈️ 飛機：約 5.7 倍（108 g）
- 🚗 私家車：約 8.6 倍（164 g）
② 新幹線是「環保優等生」
從東京到大阪，新幹線每位乘客排出的 CO₂ 大約只有飛機的 1/12！
東海道新幹線（N700系「のぞみ」）約 4.4 kg／座位 vs 飛機約 52 kg／座位
③ 一代比一代更省電！
從 1964 年的 0 系到現在的 N700S，新幹線不但變快，用電量也大幅下降。
東海道新幹線省電歷史（以 0 系 220 km/h 時用電量為 100%）
⚡ 同樣跑 220 km/h
N700S 比 0 系省電 52%！
（只用大約一半的電）
🚄 同樣跑 285 km/h
N700S 比 0 系省電 34%！
（更快又更省）
STEM 小知識：工程師用更輕的車身、更流線的外形、更高效的馬達和受電弓，讓火車「又快又省電」。這就是科學＋工程一起保護地球！
💻 MARS —— 神奇的電腦訂票系統
以前買指定席要打電話、用手寫台帳，又慢又容易出錯。1960 年誕生的 MARS（Multi-Access Reservation System，多路存取訂位系統）把訂票變成電腦作業，是日本資訊科技的重要里程碑！
MARS 連接售票窗口、自動售票機、手機／網路、旅行社，一天可賣出 170 萬張以上車票
為什麼 MARS 很厲害？
📅 以前（手工作業）
用電話和紙本台帳預訂指定席，速度慢，容易出錯。
🖥️ 1960 年後（電腦化）
MARS 用電腦即時管理座位，幾秒鐘就能完成一張票！
🔗 現在（超便利）
車站窗口、自動售票機、手機 App、旅行社都能連到同一套系統。
早期的 MARS 發券機（M 型終端）——按很多彩色按鈕就能查座位、出票
技術小知識：MARS 是世界上最早大規模使用的線上訂位系統之一。它每天處理超過 170 萬張車票，平均每張票只要幾秒鐘就能完成。這就是「電腦科學」讓大家買票變得又快又方便！
🧮 數學小挑戰
如果一天賣出 170 萬張票，平均每秒大約賣出幾張？（一天 = 86400 秒）
提示：1,700,000 ÷ 86,400 ≈ ?
答案：大約每秒 20 張票！（1,700,000 ÷ 86,400 ≈ 19.7）
🔮 未來概念：超導磁浮列車（リニア）
新幹線已經很快了，但未來還有更快的！超導磁浮列車（Superconducting Maglev）不用輪子貼著軌道跑，而是用磁力「浮起來」飛奔，設計速度可達每小時 500 公里以上！
館藏實車 MLX01-1——MLX01 系列的首節試驗車，車頭又長又尖、藍白配色。2003 年 12 月 2 日，同型 MLX01 在山梨實驗線創下 581 km/h 有人行駛世界紀錄
先複習磁鐵的基本規則
同極相斥、異極相吸；通電的線圈會變成電磁石
🧲 磁鐵規則
N 極和 N 極靠近 → 互相推開
N 極和 S 極靠近 → 互相吸引
⚡ 電磁石
在線圈通電，就會變成暫時的磁鐵。關掉電，磁性就消失。
🔄 感應電流
磁鐵靠近或離開線圈時，線圈裡會產生電流，變成電磁石！
為什麼能浮起來？（斥力懸浮）
超導磁鐵通過時，側邊的浮上・案内線圈瞬間變成電磁石，產生斥力把車「推」起來
車上裝了超強的超導磁鐵（一直保持磁性），軌道兩側有浮上・案内線圈。當磁鐵快速通過，線圈就會感應出相反的磁極，同極相斥 → 火車被往上推，離開軌道表面！
整輛車的構造
推進線圈（推進）＋ 浮上・案内線圈（浮起來並保持左右位置）＋ 超導磁鐵
怎麼往前衝？（推進原理）
推進線圈不斷切換 N 極和 S 極，像接力一樣把超導磁鐵往前「推」
科學小知識：
- 超導磁鐵：一直是電磁石，N／S 極不會變
- 推進線圈：只有通電時才變成電磁石，而且可以快速切換 N 極和 S 極
- 透過切換磁極，就像用磁鐵接力把火車往前推，速度可以非常快！
中央新幹線 —— 把日本大動脈變得更快
超導磁浮（リニア）推動中央新幹線：東京—名古屋—大阪，設計時速 500 km
⏱️ 東京 ⇔ 名古屋
約 40 分鐘
（現在新幹線約 1 小時 40 分）
⏱️ 東京 ⇔ 大阪
約 67 分鐘（約 1 小時 7 分）
（現在新幹線約 2.5 小時）
🚄 設計速度
時速 500 km
山梨實驗線曾創 581 km/h 世界紀錄（2003）
使命小知識：東海道新幹線是日本的「大動脈」。中央新幹線用超導磁浮技術，要讓這條大動脈在未來繼續快速、安全地連接東京、名古屋與大阪！
🌍 簡單比較：日本超導磁浮 vs 上海磁浮
世界上還有另一種很有名的磁浮——上海磁浮列車（連接浦東機場）。它和日本的超導磁浮（リニア）用的是不同原理喔！
🇯🇵 日本超導磁浮
（中央新幹線／リニア）
- 方式：斥力懸浮（EDS）
- 磁鐵：超導磁鐵（超強、要超低溫冷卻）
- 浮起來：同極相斥，把車往上「推」
- 離地高度：約 10 公分
- 低速時：要用輪子輔助（約 150 km/h 以上才浮）
- 速度：設計 500 km/h；MLX01 實測 581 km/h（2003 世界紀錄），L0 系測試 603 km/h（2015）
🇨🇳 上海磁浮
（德國 Transrapid 技術）
- 方式：吸力懸浮（EMS）
- 磁鐵：普通電磁鐵（電腦快速調整電流）
- 浮起來：電磁鐵「吸住」上方軌道
- 離地高度：約 1 公分（8～10 mm）
- 低速時：靜止也能浮（不用輪子）
- 速度：營運約 430 km/h
STEM 小知識：
- 上海磁浮像用電磁鐵「吊」在軌道下面，間隙很小，要靠電腦每秒調整很多次才不會撞到。
- 日本リニア像用超強磁鐵「推」開軌道，間隙大很多，比較不怕軌道小變形，也適合更高速度。
- 兩種都是「沒有輪子摩擦」的未來交通，只是用磁力的方法不一樣！
🧸 プラレール（迷你鐵道玩具）——玩具也有真本事！
很多小朋友玩過藍色軌道的プラレール（Plarail，迷你鐵道玩具）。它不只是玩具，還跟真正的新幹線有奇妙連結喔！
プラレール（迷你鐵道玩具）是怎麼做出來的？
從設計圖 → 原型 → 塗裝 → 品質測試 → 組裝 → 試跑，一步步做出能跑的迷你新幹線
① 設計圖
參考真正的車，縮小成プラレール（迷你鐵道玩具）尺寸，又要可愛又能跑。
② 做原型
先做出模型，檢查會不會卡住、會不會容易壞。
③ 塗裝
照著真車的顏色噴漆、貼貼紙，讓它看起來超像！
④ 測試
拉拉看、摔摔看、冷熱考驗，確認夠不夠堅固。
真的司機也用プラレール（迷你鐵道玩具）訓練？
JR 東海的工作人員用プラレール（迷你鐵道玩具）練習：大雨亂班、路線中斷時要怎麼調度車輛
為什麼用玩具訓練？
- プラレール（迷你鐵道玩具）的軌道動作和真車很像，容易想像整條線的狀況。
- 從上面俯瞰，比只看駕駛台窗外更清楚「整條線在發生什麼事」。
- 可以動手排車、改路線，練習遇到突發狀況時怎麼讓旅客安全下車。
所以：玩具也能幫助真正的安全訓練——這就是 STEM 裡「用模型理解真實世界」的例子！
🧠 STEM 小測驗（選出正確答案）
1. Dr.YELLOW 主要是做什麼的？
2. 新式單臂受電弓比舊式好在哪裡？
3. 新幹線大約多久做一次「全面檢查」？
4. 塗裝的最底層是什麼？
5. 從東京到大阪，新幹線排出的 CO₂ 大約是飛機的多少？
6. N700S 在 220 km/h 時，比最初的 0 系大約省電多少？
7. 新幹線的軌道寬度是多少？（標準軌）
8. 地震防災系統為什麼能提早讓列車停車？
9. MARS 訂票系統大約從哪一年開始用電腦？
10. 受電弓直接接觸的電線叫什麼？
11. 超導磁浮列車為什麼能浮起來？
12. 推進線圈如何讓磁浮列車往前走？
13. 中央新幹線（磁浮）從東京到大阪預計大約多久？
14. 上海磁浮和日本超導磁浮，哪個用「同極相斥」把車推起來？
15. 保養車輛主要在什麼時候工作？
16. 為什麼新幹線的工作人員會用プラレール（迷你鐵道玩具）訓練？