102/10/19假日科學廣場-操作中探索生活物理-針高創意實驗寶盒 活動報導

2013/10/25 – 下午 5:30

生活中的物理探索
校園特派記者:蔡宇安

由國科會科教處補助、中央大學科學教育中心主辦的「假日科學廣場」活動,上周六請來高雄師範大學的周建和教授,利用隨手可得的寶特瓶、塑膠針筒及三路活塞﹝俗稱三通﹞,一起玩各種不同的有趣實驗。周建和是「街頭物理」活動的創辦人,也是Adept(Artistic Demonstration Education in Physics Teaching)實驗室的主持人,因此有人也親切的叫他ㄚ達博士。

寶特瓶加線香 我也是哆拉A夢

ㄚ達博士首先示範一個利用普通寶特瓶造「霧」的實驗。將清洗乾淨的寶特瓶中,加入少許的水,搖晃使整個寶特瓶都均勻地沾到水後,倒出水,再點燃一支線香,放入寶特瓶中2到3秒,線香拿出後,鎖上瓶蓋,此時,用力擠壓寶特瓶後、迅速放開,即可以在瓶中上看到「霧」。

這個實驗中包含了許多物理概念。點燃線香時,應靠近火焰的尖端而不是靠近燭芯,因為靠近燭芯溫度反而低。而線香的功能,則是由於燃燒後產生的「煙」有許多小微粒,提供水氣凝結成小水滴時需要的「凝結核」。而「霧」的形成需要降低溫度,但由於寶特瓶造霧實驗中我們無法降低外在溫度,因此,利用擠壓寶特瓶再迅速放開的「絕熱膨脹」過程,讓溫度急遽下降,於是瓶中的水氣便凝結成水滴進而形成「霧」。此處「絕熱」的條件是利用擠壓後快速放開來達成,因為速度太快,熱來不及與環境交換,所以便形成絕熱(沒有熱能進出)的狀態。

當水滴依附在草上時,則成為「露水」;若在高空中凝結,則稱為「雲」,又由於高空的溫度低,是以冰晶的形態存在,但當壓力上升或是溫度升高,則成為「雨」降下於地面上,若是在高緯度地區,地面溫度低,所以凝結在草上的變又稱為「霜」,從高空降下的便稱為「雪」,而「冰雹」則是因為雲上有激烈的氣流滾動,使得雲中的溫度極低,形成大塊的冰晶,降下即成為「冰雹」。

ㄚ達博士這時也提出了一個讓大小朋友動腦的問題:「如何拉開氣球,使氣球摸起來『冰冰的』?」由於人中部位(鼻子到上唇之間)對溫度較為敏感,所以我們可以利用人中來測試氣球的溫度變化,現場大家積極進行拉動氣球的實驗,看到大家把氣球拉長放在人中上,形成極為有趣的畫面。阿達教授也給出正解,當我們把氣球拉長時,我們做了功,使得氣球的溫度上升,摸起來熱熱的。而拉長後靜置一會兒,再快速將氣球縮回,這時候氣球因為作功而損失能量,造成氣球的溫度下降,這也是絕熱作功的結果。同樣的方法我們也可以將氣球吹脹,利用快速將氣球放掉,溫度便會降低,ㄚ達博士打趣的問:「如果我們每個人都將氣球吹脹,再同時放掉,那教室的溫度會不會降低呢?」答案是會的,而事實上我們家中的冷氣機及冰箱中的冷媒與壓縮機,便是利用這樣的原理,冷媒就像是氣球,而壓縮機就像是我們將氣球吹脹又放掉的動作,如此循環便使得溫度降低,也是冷氣的功能。

針筒與三路活塞 ─ 萬用實驗寶盒

接著ㄚ達博士拿出了他的教學法寶:針高實驗小包,裡面有幾支大小不一的針筒、三通、保麗龍球與小氣球,ㄚ達博士先利用兩個針筒與兩個三通示範了「連通管實驗」,在兩個大小不同的針筒中加入不等高的液體,放置一段時間之後,兩個針筒中的液面會等高,這便是「連通管原理」。

緊接著ㄚ達博士讓大小朋友自己利用針高實驗小包開始壓力小實驗,像是「保麗龍球變身高爾夫球」的實驗,將保麗龍球放入針筒中,利用壓力的變化,保麗龍球便會膨脹或是擠壓縮小,當縮小時保麗龍球的紋路明顯,看起來就像是高爾夫球一樣,同樣的原理也可以玩「隔空打氣球」或是「棉花糖變大」這兩個實驗,都是利用壓力大小轉變造成體積不同的原理。

做完這些實驗之後,ㄚ達博士又出了一個考題,請大小朋友們利用一個三通、一支針筒、一隻塑膠管跟兩個止逆閥作出有效率的氣球打氣筒,就可以換一個蘋果氣球,每個人都認真地嘗試,也紛紛成功後,ㄚ達博士解釋,家中的洗髮精壓頭、媽媽的化妝水瓶噴頭,或是小鳥的喝水器、澆花器,都是利用同樣的原理製作的,然而透過親自動手實驗後,大家更容易明白這些常見的生活用品的科學原理了!

由於周建和是高雄師範大學的教授,在活動過程中他不僅講解物理原理,更會藉機跟現場的爸爸媽媽說明教育小朋友的方法,他強調,給小朋友一包針高實驗小包,讓小朋友知道其中每樣材料的原理,小朋友就可以自己組合出各種不同的組合,不需要要求小朋友一定要照著「正確」的步驟做,讓他們發揮自己的能力,只要不危險,便可以讓他們自己嘗試!如同活動主辦人科學教育中心主任朱慶琪教授強調的:真正的科學教育,必須從「做中學」體會與實踐,而不該侷限於專有名詞及科學知識,如此,我們才能培育出真的具備科學素養的現代公民。

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