热学趣味实验原理.pdf

橘子皮烟火橘子皮烟火 想在家里看烟火吗？只要运用橘子皮（或柳丁皮），就可以制造出美丽火花。 操作步骤与现象： 准备器材：橘子皮（或柳丁皮）数块、 蜡烛 1 根。 挤压橘子皮，让橘子皮汁液喷向烛焰，便可产生美丽火花。 原理： 因为橘子皮在挤压时所喷出来的汁液，含有植物性油脂，所以能燃烧。 叮咛的话： 1. 尽量用新鲜的、刚拨下来的橘子皮（或柳丁皮），不要用乾掉的果皮，因为汁液不容易挤出来，效果会 比较差。 2. 一次用多一点、厚一点的橘子皮（或柳丁皮），会比较壮观喔！ 3. 尽量让孩子动手操作、先不要告诉孩子为什么，让孩子可以动动脑想一想为什么会这样？ 4. 有关于火焰的游戏，要格外注意安全，家长最好陪同孩子一起做，同时指导孩子使用火焰的安全事项， 会比较安全。 瓶子发出怪声瓶子发出怪声 将硬币放在玻璃瓶的瓶口，用手掌握住瓶子，瓶口上的硬币竟然就咯咯咯的发出声响！ 操作步骤与现象： 准备器材：空玻璃瓶(可用米酒瓶或啤酒瓶之类的)，1 元硬币。 1.将空玻璃瓶放入冰箱中或是冰水中冷却，约半小时即可。 2.在瓶口上放置一枚 1 元硬币。(图一) 注意：可以在瓶口边缘抹上一些水，或是先用水将硬币浸湿，如此，硬币与瓶口间就加密合了。 3.双手紧紧握住瓶子，一会儿后，瓶口上的硬币就会发出咯咯咯的声响了！(图二) 原理： 本游戏是利用空气热涨冷缩的原理。把瓶子放入冰箱冷却后，瓶内的空气当然也被冷却了， 那什麼时候加热呢？当然就是手掌握住瓶身的时候啰！运用手掌本深的温度，在握住瓶身后，瓶内的空气 受热膨胀而往瓶口逸散， 因此将瓶口的硬币往上推， 但由于力量不大， 所以硬币被往上推一点点又落下来， 这种情形一直反复，就产生咯咯咯的声响了！ 叮咛的话： 1.為了方便让效果明显，手掌可事先搓热，或者直接将手泡在热水中，这样手掌的温度就更高了。 2.可将瓶子泡在热水中，虽然效果更快，但为保持动手做的趣味，这个方法可让孩子自己动动脑。 3.建议使用玻璃瓶，而不用塑胶瓶，是因为玻璃瓶的传热效果较好。 当完成后，可以指导让小朋友尝试如果放上两个硬币或三个硬币，还可以发出声响吗？ 烛芯的材料烛芯的材料 你相信吗？可以用粉笔当蜡烛烛芯喔！ 操作步骤与现象： 准备器材：粗蜡烛 1 根、小粉笔块一个 1.将粗蜡烛点燃，接著使小粉笔块裹上粗蜡烛上的蜡油。 2.将裹蜡的小粉笔块放在烛焰上，加热至燃烧。（如下图） 3.把燃烧的小粉笔块立在粗蜡烛上，并将烛芯压入蜡油中，使烛芯熄灭，发现小粉笔块能代替烛芯继续燃 烧。（如下图） 原理： 烛芯的功用是要把少量的蜡引出来，以便用少量的热，让烛油达到燃点而燃烧，因此，只要 能產生毛细现象的物质都可以做烛芯。 叮咛的话： 这个游戏是利用毛细现象原理，该原理会在小学中年级时学到，但很多人都不知道粉笔 能代替烛芯使蜡烛继续燃烧，是因為毛细现象所造成。家长们可以鼓励孩子应用学过的科学原理，发挥创 造力。 大家来挑战： 利用毛细现象原理，找出其它可以做烛芯的物质 茶包天灯茶包天灯 有没有放过天灯呢？我们可以在家裡自製简易的茶包天灯唷！ 操作步骤与现象： 准备器材：茶包、剪刀、火柴或打火机 1.将茶包从顶端（有棉线那一端）剪开，并小心倒出茶叶。（图一） 2.将空的茶包完全摊开，发现两端都有开口。（图二）将开口撑开，使茶包成為圆筒状，然后将茶包直立 在地面。（图二） 3.从茶包的顶部点火。（图三） 4.观察茶包燃烧受热后的现象。（图四、图五、图六） 原理： 1.茶包会飞起来的原理，是因為燃烧茶包时会產生热空气，热空气上升使的茶包上方气压强度变小，而造 成气压差。而物体会由气压较强大的地方被推向气压较小的地方，因此当气压差够大，即气压差大於燃烧 剩餘的茶包重量，茶包就会冉冉上昇了。 2.这个气压差原理的运用，这就是力学当中的白努利定律的应用，而我们透过烧茶包產生热空气的方式来 完成此一现象。 叮咛的话： 1.请指导孩子观察茶包升空的时间点，引导孩子发现茶包会升空，是在茶包剩余重量小的时候才会发生。 2.实验操作时， 建议最好使用方形扁式茶包， 因為它是棉质亦可拆成桶状， 利于產生热空气， 重量也较轻， 勿使用类似泡棉质的茶包，这类茶包燃烧时，除产生黑烟臭气外，并且直接烧完，不留余烬，无法产生足 够热空气。 3.过程中需运用到火，请家长在场协助指导并注意安全。 挑战一下： 1.详细的描述观察到茶包燃烧后升空时的外观。是全部然烧完？还是伴随一部份的餘烬升空呢？ 2.若家里有不同的茶包，也可以拿来试一试，比较燃烧情形或升空情形是否有差异？ 3.试试看报纸、书法用的宣纸或其他纸类，看看同样的方式燃烧后是否能升空？ 水中蜡烛水中蜡烛 说明: 本操作為一个教学教计，将蜡烛置于干的水槽中，固定底部（以蜡油黏住底部），再加水加到蜡烛 只露出水面一点点，点燃蜡烛后，观察蜡烛燃烧，可以发现蜡烛可以持续燃烧至低於水面。由於蜡烛仍然 会熄灭，我们可以设计一个适合高年级学生的科学探究活动，整个教学程序简述如下： 1.将长度相同、粗细不同的蜡烛各一隻，固定於水槽。再将水槽注入水，直至蜡烛只露出水面约 0.5cm。 2.将蜡烛点燃，静静观察蜡烛燃烧至水面以下，蜡烛燃烧至某个程度仍然会熄灭。(视教学时间许可，以示 范方式或者小组操作皆可) 3.小组讨论：蜡烛可以燃烧至水面以下的原因？，讨论后教师归纳指导。值得注意的是，教师引导讨 论时，须注意等待时间多发问开放性问题的原则。 4.教师拋出问题：粗细不同的蜡烛是否有差别？，学生应可发现较粗的蜡烛烧得越低於水面(深度)， 亦即较细的蜡烛比较容易熄掉。 5.教师再拋出问题，以小组讨论方式思考： 还有哪些因素会影响蜡烛燃烧低於水面之深度差异(避免使用 燃烧时间差异)？ ， 我们期望学生能说出影响因素除了蜡烛粗细以外， 还包括蜡烛点燃前露出水面的高度、 点燃前烛蕊的长短、环境或人為因素(风吹、水面晃动)等等。 6.教师说明变因的分类(如控制的变因、操纵的变因)，以及应变变因的测量方法(测量蜡烛低於水面的 深度)。 7.各小组决定要探究的变因(每组只选一个变因)， 但是环境或人為因素不包含在内-因為具有变动性或个 别差异(此问题也可做為讨论问题之一)。 8.各小组讨论如何进行实验操作，以解决要探究的问题。在教师指导与确认后各小组进行实验。 9.各小组成果报告。 救火纸条救火纸条 操作步骤与现象： 准备器材：玻璃瓶(建议用市售的酱料玻璃罐或果酱瓶)、报纸或图画纸、剪刀或小刀、蜡烛、打火机、胶 带或胶水、夹子 1.裁一张纸，并做成圆筒状。（长：约 25 公分，宽：将纸捲成圆筒，并做套量测试，直到可以套紧瓶口， 调整后以胶水或胶带固定圆筒。）（图一） 注意：圆筒长度不可太短，使用刀具也请小心。 2.再裁一张纸条，长度比纸筒略长，宽度略小于纸筒直径，以便置於纸筒内时，可将纸筒分成两半，且方 便抽拉。纸条可选用稍硬的纸质，以方便抽拉。 3.点一根长度略低于瓶身的蜡烛，将蜡油滴在瓶底，用夹子将蜡烛置于蜡油上固定。（图二） 注意：若蜡烛太短，可能在还没套上圆筒前，烛火就会熄灭。 （图一） （图二） 4.在瓶口套上纸筒，烛火会逐渐变小甚至熄灭。若在烛火变小前插入纸条，则蜡烛会一直燃烧，但若将纸 条慢慢往上抽，烛焰会变小，快要熄灭时，再将纸条往内插入，火焰则又变大。 原理： 本游戏主要是运用冷热空气对流的原理。还没套上圆筒前，因蜡烛接近瓶口，燃烧產生的热 空气很快地从瓶口逸散，对对流而入的冷空气（新鲜空气）影响不大，所以蜡烛能继续燃烧。套上纸筒后， 由於底部受热，所以热空气快速上升，冷空气就难以从上方进入，烛火就会因为缺乏新鲜空气而变小，最 后熄灭。纸筒被纸条分隔后，热空气上升阻力变大，冷空气便得以进入，而烛火获得新鲜空气，便能持续 燃烧。 叮咛的话： 1.套上纸筒后，蜡烛可能很快就熄灭，这时又要重新点燃蜡烛，為避免这种麻烦，可以先将纸条置於纸筒 内，待蜡烛置於瓶底后，马上套上内有纸条的纸筒，就可让蜡烛一直燃烧，再来进行操作、观察。 2.若效果不明显，可能是纸筒太短的缘故，可尝试将纸筒的长度加长。 3.过程中需运用到火，请家长在场协助指导并注意安全。 挑战一下： 1.试试不同长度的纸筒，并观察不同长度的纸筒对蜡烛的燃烧有什麼样的影响？ 2.点燃一支线香，放在纸筒上空的纸条两侧，观察线香烟的方向，并说说看有什麼不同？ 吸气功吸气功 用气球可以把玻璃瓶吸起来喔！不信我们来玩玩看吧！ 操作步骤与现象： 准备器材：蜡烛 1 根、玻璃杯 1 个、气球 1 个。 1.点燃蜡烛，将玻璃杯口放置在烛焰正上方，收集热气约 10 秒。 2.将玻璃杯口贴在气球上方，发现气球被吸起来了。 3.将玻璃杯放正，可以发现气球靠玻璃杯口的部分被吸进玻璃杯了。 4.真的可以用气球把玻璃瓶吸起来，你也一起来试试看吧！ (注意：如果热气不够，玻璃杯会吸不起来。) 原理： 空气很容易热涨冷缩，空气冷却后体积缩小，瓶内压力小於大气压力，於是造成气球的一部份 被吸进杯子裡。 叮咛的话： 1.这是运用蜡烛、透明玻璃杯、气球来让孩子瞭解大气压力与空气的热涨冷缩。 2.可以指导孩子仔细比较被吸进瓶子的气球与没被吸进去的差异。 3.当小朋友成功完成后，可以指导小朋友：收集热气的玻璃瓶，能不能吸起纸杯呢？（需事先将纸杯杯底 抹上一层水，才能吸的起来） 空瓶吃鸡蛋 蛇会吞下比自己嘴巴还大的鸡蛋，空瓶子也可以喔！ 操作步骤与现象： 准备器材：鸡蛋、锅子、热水、宽口瓶（或是 5.2 公升的矿泉水瓶子） 1.先将鸡蛋水煮成白煮蛋，剥壳备用。 注意：鸡蛋应选择比瓶口大一点的即可。 注意：因為刚煮好的白煮蛋很烫，所以应先放置冷却，再行剥壳。 2.将热水倒入准备好的空瓶子，充分摇动后，让瓶子均匀受热，之后把热水倒掉。 注意：拿取瓶子及倒热水时要小心，避免被烫伤，建议可使用厨房用的隔热手套。 3.将剥了壳的白煮蛋，直放在瓶口的位置。（图一） 4.静置一会儿后，仔细观察鸡蛋就会发现白煮蛋慢慢被吸到瓶子裡去了。（图二） 小技巧：如果觉得白煮蛋被吸到瓶子内的速度太慢，可将瓶子浸泡在冷水裡。 图一 图二 原理： 1.本游戏主要是运用空气热涨冷缩的来完成的。因為加热水倒入瓶子内后，瓶内的原本的空气，通通变成 热空气往瓶口逸散，这时候瓶口放上白煮蛋，瓶子就成为密闭状态。在这种状态下，等瓶子慢慢冷却，瓶 内的空气体积就会收缩，因此瓶内的压力就会下降，而白煮蛋就会被瓶外的压力挤到瓶子内了，也就是眼 睛所看的空瓶吃鸡蛋。 2.为了加快空瓶吃白煮蛋的速度，我们将瓶子泡在冷水裡，是因为要加快瓶内空气冷缩的速度，也就 是让压力下降的速度快一点，如此，空瓶吃鸡蛋的速度也就跟著加快了。可以引导孩子动动脑想出这方法 喔！ 3.使用白煮蛋是因白煮蛋具有弹性，利用气压的改变，让瓶子吞进白煮蛋时，不会因此而碎掉。另外，白 煮蛋在完成后亦可食用，一举两得，亲子共同操作，和乐融融。 4.水球跟白煮蛋一样具有弹性，亦可拿来尝试。 叮咛的话： 操作过程中需运用到火及热水，请家长在场协助指导并注意安全。 想一想： 1.如果把瓶子放到更冷的水中，瓶子吃鸡蛋的时间是否会不一样呢？ 2.若白煮蛋已被瓶子吃进去或卡在瓶口不上不下，怎麼把它拿出来而不会破坏白煮蛋呢？ 3.以大小相近的水球取代白煮蛋，重复操作步骤，结果会如何呢？为什么？ 瞬间压扁铝罐瞬间压扁铝罐 要把铝罐压扁，除了用脚踩、用手压、用硬物砸这些方法之外，还有什麼方式呢？ 操作步骤与现象： 准备器材：空铝罐、瓦斯炉、隔热夹（或烤肉网和隔热手套）、一锅冷水 1.先准备一锅冷水备用。 2.在空铝罐中加入约 10 毫升的水，在以隔热夹夹住铝罐在液化气炉上加热。（图一） 注意：(1)由於铝罐底部较小，置于液化气炉上加热并不方便，而且会很烫，不方便拿取，所以最好以隔 热夹夹住铝罐进行加热。另外，要注意加热时產生的热气，可能会烫伤手。(2)家中若无隔热夹，可在液化 气炉放置烤肉网，再将空铝罐置於上面加热。 3.罐中的水沸腾一会儿后就熄火，待铝罐不再冒烟时，将铝罐开口朝下，迅速的放入冷水中。（图二） 注意：这时铝罐非常的烫，请小心进行。 4.啪的一声，罐子瞬间就被压扁了。不注意的话，还有可能被瞬间压扁的声响吓一跳呢！ (图三) 图一 图二 图三 原理： 液体加热变气体后，体积会膨胀，但气体冷却时，体积却会变小。由於我们加热后的铝罐充满 滚烫的水蒸气，此时将它垂直倒立放入水中，铝罐内的水蒸气急速冷却成水，体积变小，使得内部压力比 外部的大气压力小，因而被大气压力给压扁了。 叮咛的话： 1.将铝罐垂直倒立放入，是因為要让铝罐内的空气跟外界的大气隔绝，造成压力差，而使铝罐被压扁。 2.最适合本游戏操作的地点是厨房，器材可就地方便取得。使用铝罐的原因，是因為它的刚性强度较小， 比较容易得到游戏效果。 3.过程中需运用到火，且加热后的铝罐非常烫，请家长在场协助指导并注意安全。当完成后，可以指导让 小朋友尝试若在铝罐中加入不同的水量，同样地沸腾一会儿后熄火，对压扁铝罐有没有影响呢？ 燒不起來的手帕 操作步驟與現象： 準備器材：手帕 1 條、蠟燭 1 根、硬幣 1 個。 1.將硬幣放在手帕的中央並扭轉手帕，手帕必須緊緊拴住硬幣，否則手帕會燒起來。包著硬幣的手帕放在 蠟燭上方，手帕只會有黑黑的痕跡，但燒不起來。 2.將硬幣取出，將手帕直接放在蠟燭上燃燒，手帕一下就燒起來了。 原理： 金屬物品比手帕或木頭更容易傳熱，由於手帕接收火焰的熱被硬幣吸收了，所以無法達到可以 燃燒手帕的溫度。 叮嚀的話： 1.在燒手帕時，手的位子不要太靠近火焰，太靠進時手會很熱，甚至燒傷。 2.事先準備一盆水在旁，手帕燒起來時，可以放入水盆裡滅火。 大家來挑戰： 找一找，有哪些物質可以在燭焰中燃燒，但換了另一種方式就燒不起來？（如：乾的紙容易 燃燒，濕的紙燒不起來；鐵釘燒不起來，像棉花一樣細的鐵絲就燒得起來。） 奇妙的海底火山奇妙的海底火山 你可能看过陆地上火山爆发的情形，但你有看过海底火山喷发的情形吗？ 操作步骤与现象： 準备器材：透明玻璃缸、保鲜膜、橡皮筋、红墨水、竹筷、小玻璃瓶、双面胶 1.在小玻璃瓶内滴入几滴红墨水，再倒入热水，之后瓶口套上保鲜膜，并用橡皮筋束紧，再用双面胶将小 瓶子固定在玻璃缸底部。（图一） 注意：装入的热水不要过热，以免烫伤；挑选小瓶子时，不要高於玻璃缸的一半高度。 2.在玻璃缸倒满冷水后，用筷子在保鲜膜上戳一个洞，会发现红色液体会从洞口冒出，并像烟雾一样缓缓 上升，之后在冷水的顶层会形成红色水层，而跟冷水形成两层明显的不同水层。(图二) 注意：為方便红色液体流出，戳的洞不宜太小，但不也宜太大，以免一下子全部跑出来。建议可以先轻 戳一小洞，若红色液体流出情形不明显，再将洞戳大一点。 3.最后，红色水层会跟冷水层的水慢慢混合在一起，看起来就像是海底火山喷发的情形。(图三) 图一 图二 图三 原理： 1.利用水的热对流作用。小瓶子中装入热水，而外围装入冷水，当我们把保鲜膜戳一个洞时，热水上升， 冷水下降，此时我们就能看到红色液体上升，但因為冷水是无色的，所以虽有下降，但看不太出来。 2.小罐子的红色液体流出的速度会越来越慢，最后几乎停止，是因為热水和冷水的水温已经接近平衡，没 有温度差，就没有產生对流。 3.红色水层会慢慢跟冷水层混合在一起，是因為扩散作用的缘故。 叮嚀的话： 1.若一开始先倒入冷水，再放入装有热水的小瓶子也是可以，但由於小瓶子是密封状态，欲放入底部固定 时，容易浮起，比较不好操作。所以，建议先放入装有热 水的小瓶子，再倒入热水。 2.透明玻璃缸的选择，其实只要是瓶口够宽，深度够（大於小瓶子的两倍高度）， 且為透明的容器，以方 便我们操作且观察，都是可以拿来用的。 当完成红火山后，可以指导小朋友尝试，如果在小玻璃瓶内装入蓝墨水，或同时放入两瓶 以上装有不同顏色墨水的小玻璃瓶，那又会是什麼样的情形呢？ 用冷水煮热水用冷水煮热水 是不是一定要在摄氏 100 度的时候，我们才能看到水沸腾而冒泡的现象呢？ 操作步骤与现象： 準备器材：有金属盖的空玻璃瓶，冰块 ，隔热夹或隔热手套，瓦斯炉或微波炉 1.在玻璃瓶中倒入约三分之一满的水，放入微波炉加热至沸腾后，以隔热手套取出。 注意：(1)建议选用宽口的玻璃瓶，例如：罐头用的玻璃罐 (2)放入微波炉加热前，必须将瓶盖打开。 (3)没有微波炉，可先将玻璃瓶盖打开，再用隔热夹夹住玻璃瓶在瓦斯炉上加热，瓶内的水沸腾后后关掉瓦 斯炉火。另外，加热玻璃瓶时有可能会碎裂，要小心。(如图) 2.将瓶盖锁紧，此时，水面仍有沸腾冒泡现象，静置约 30 秒，待温度略微下降后，瓶盖上冲一些冷水，不 一会儿，瓶内的水竟然又开始沸腾冒泡了起来。(如下图) 注意：(1)此时手会与瓶子接触，可用隔热手套或抹布隔著。 (2)结束后若欲将水倒掉，除了注意瓶子及水很烫要小心之外， 打开瓶盖时请远离身体或将瓶口朝 下，以免热气喷出而受伤。 原理： 1.水的沸点是跟大气压力有关的，一般状况下，也就是在一大气压下，水要达到摄氏 100 度 c 才能沸腾， 但压力如果改变，沸点也就跟著改变。例如：在高山上沸腾的水不能把鸡蛋煮熟，因為高山上气压低，虽 然水看起来已经沸腾冒泡了，但实际上并未达到摄氏 100 度 c。 2.瓶内的水烧开后，变成水蒸气会从瓶口散逸，此时我们将瓶盖锁紧，就将水蒸气锁在瓶子内，接著我们 在瓶盖上冲冷水，造成温度降低，瓶内的水蒸气遇冷变成水，体积因而收缩，使的瓶内压力变小，降低了 水的沸点，水就重新沸腾了。 叮嚀的话： 过程中需运用到微