2022年9月14日

生活科學-化學-電石竹炮

戶外教育曾經帶過許多地方,有現場表演、遊行的園區不在少數,只是得在特定時間才有得欣賞。也去過幾次位於屏東的台灣原住民文化園區,雖然一定看得到原住民歌舞表演、搭乘遊園車及不同的體驗活動,只可惜有一項演示一直沒有親耳聽聞,得碰運氣,不然就是待到表演時間到。

文化園區位於屏東縣瑪家鄉北葉村
是便於探索體驗、洗滌身心、家族聚會的文化公園

也就是電石竹砲啦!以往的竹炮,當然是在山林裡就地取材用中空且長直的麻竹製作的,而且要將內部的竹節去除,空間才夠大。但是竹製容器用久了,氣爆過幾次以後,結構肯定不若強健的新品,因此園區採用結構性較強的金屬筒身,並有效提升使用次數與保存的便利性。


十幾門電石竹砲排排站,介紹不同原住民族名稱時也會輪番點燃
也可以更名為電石鐵砲,威嚇力感覺強一些

早年使用於台東縣電光阿美族部落,其作用為遇有他族侵襲時嚇阻敵人,平日用於驅趕鳥群。竹砲是利用電石中所含之碳化鈣,遇水蒸發形成乙炔,再將筒內充滿之氣體引燃造成氣爆,但無危險性及有害人體身心之虞。

文字資料來源:背景帆布解說

不過解說文字中有小小錯誤的地方,就是電石遇到水是化學反應,不是蒸發(物理變化)。也就是電石與水混合反應後,產生可燃性的乙炔氣體和鹼性的氫氧化鈣。接著,點燃筒內的乙炔氣體,產生火花及爆炸聲響。

 
放置電土(碳化鈣)的筒蓋上有個小孔,就是外部火源靠近的地方
可以思考看看,為什麼砲筒上方還需要加蓋子呢?

蓋子除了不讓異物進入,避免下雨時筒內積水,也不讓乙炔氣體快速散逸,主要原因真的是這樣嗎?乙炔氣體的分子量是24,和空氣平均分子量29相去不遠,加鐵蓋進行向上集氣法的效益不大,只是不加蓋還是會飄出來就是。

在晴天的演出活動時,筒身上方的開口是不加鐵蓋的,換成是在筒身裡加橡膠板之類的物件,讓乙炔氣體在筒內積聚,最後點燃時,便能看到氣爆時的衝擊將板子帶出。

可參考影片前兩分鐘

2022年5月26日

科學玩具-光學-蝸牛分光器

這一組反射型分光器是來自日本的設計,在網站上有許多尺寸、規格大小不同的版型無償供人下載。裡面所使用的反射光線的物件是光碟片,2010年以前是使用CD,後來可燒錄的DVD或是大量壓片的DVD也都試用過了,不難觀察到DVD的分光效果會比CD來得好。

如果使用磅數夠的紙張,依照說明和摺痕製作出來的效果還挺不錯的
貼上雙眼就像隻蝸牛一樣,所以我稱其為蝸牛分光器

 
讓欲被觀察的光通過狹縫,形成線光源後再照在光碟的反光面上
紙質厚才不透光,且觀景窗口內側要塗黑,避免外界光線干擾觀察

 
白熾燈泡內部使用鎢絲造成電流熱效應,進而讓鎢絲發光
所產生的是連續光譜

 
日光燈管是利用通以電流的水銀蒸氣而產生紫外光
當紫外光被塗佈在燈管內面的螢光物質吸收後,便會能量躍遷出可見光
所觀察到的是不連續的線性光譜

光碟片上的彩虹是因為產生了繞射的現象,混色而成的色光(白色)經由光碟片上的細微溝槽分光後,便是所看到的彩虹。溝槽的密度越高,就能把色光分得越開,也就是分光效果越好,因此才說DVD會是較佳的素材選擇。

再者,不同波長的色光的繞射角不同,才能讓各種色光分散開來,像是波長較長的紅光的繞射角較藍光大,因此所形成的彩虹外側是紅光,而藍光則是在內側。

另外,不同的光源形成不同的光譜,可以透過蝸牛分光器(簡易的反射式光譜儀)觀察身邊的光源(交通號誌LED、照明用鈉燈、鹵素燈、日光燈、燭火或打火機等等),會有不一樣的發現哦!

2021年12月17日

科學玩具-磁學-磁浮飛梭

陪伴了10多年的教職生涯,同時也流行過一陣子的磁浮玩具,2019年時終於功成身退了。這是可以用來講靜力平衡的科學玩具,不僅僅是簡單易懂,操作上也是比磁浮陀螺簡單許多,加上成功率高,因此成為百寶箱裡的常備軍。


轉或不轉都可以達到平衡,旋不旋轉就成為次要的討論方向
簡單的力學分析,就能讓國中程度的學生理解合力為零的應有概念

在一次不經意的手滑,當下滑出了裡面的構造,與地面的碰撞造成解體,雖然沒拆解前也大致能想得出來裡面的結構,只是難免心疼。磁力與重力並非想像中的簡單,懸浮的現象也是,稍有擾動,平衡即被破壞,讓飛梭往左或往右偏移。因此這玩具常需要一片裝設在側邊的擋板,讓飛梭的轉軸壓在擋板上,使水平方向的力量得以平衡,操作者只需專注在讓垂直方向的所有力量抵銷。

 
多了一片,價格不變(知道這廣告詞的都是有年紀的,承認吧)
但少了這一片檔板,想要達到平衡,可說是難如登天

翻轉過來,露出內部的設置。有四個磁鐵黏著在裡面的溝槽,兩兩以斜邊相對,所產生磁力的合力便是向上(水平方向的磁力相互抵銷,只剩下兩個同方向累加且皆為向上的垂直力量),支撐著飛梭內部的磁鐵。兩兩一組,就是兩組,對應著飛梭裡的兩個磁鐵。

 
為使磁力方向穩固,固定磁鐵的方式常以溝槽卡著佐以黏膠固定
底座裡的磁鐵不移動,消弭讓平衡不穩定的因素


底座裡一定要特定形狀的磁鐵嗎?倒也不一定
只要不是N極、S極交錯鑄成的磁鐵,都可以拿來嘗試看看

飛梭裡則是建議使用環形或實心圓的磁鐵,各向度磁力線的分布較平均,靜止或旋轉起來較其他形狀的磁鐵穩定許多,但如果你有很多時間,在磁鐵的選擇上,還是可以使用柱狀或三角柱磁鐵當作挑戰。


環形磁鐵也是很好的選擇,不論用在底座或飛梭上
而且中間的圓孔,恰好可以讓鉛筆、竹筷或木棍穿入,相當適合組裝

固定磁鐵時,熱熔膠是我的首選。當然也可以使用其他的媒材,像是快乾膠、AB膠、泡棉膠帶或魔術黏土等,但乾了會硬化的接著劑,在磁鐵表面上也會脆化,更何況沒有深入滲透,而魔術黏土有方便、易調整的好處,不過碰上外力稍大時則有變形、磁鐵位移的疑慮。因此,我才會選用稍能緩衝又能固著在不同材質表面上的熱熔膠。

手邊有許多用不完的鉛筆、免洗筷,剛好可以做為轉軸,可用削鉛筆機削出尖端,用以抵住檔板。調整磁鐵位置後,同樣也是使用熱熔膠便能使磁鐵固定於其上。


製作過程和原理說明可參考2015年幫科工館科學學習中心拍攝的影片

不過雖然我把它稱為飛梭,但它其實不像梭子一樣會在絲線中穿來穿去,只是在原處打轉。它適合擺在書桌上,當文青的裝飾(鋼鐵人也在辦公桌上放一組混沌擺),閒暇之餘動動它、轉轉它,不穩定時的抖動,就這樣看著看著,也還蠻療癒的。