2013年1月28日

科學遊戲-熱學-吸油面紙天燈


透過謝老師引介,去年幫南版寫的三本科學遊戲專刊(力學、運動學與熱學)終於順利出刊,編寫期間參酌了許多科教先進的想法和理念,對於各單元的科學遊戲挑選有很大的幫助,之後還露臉幫忙錄製了Qu版DVD,並受研究所同學之邀到屏東萬巒國中分享這些課堂中用得到的教學媒材。

熱學單元的遊戲較少,而且相較於其他單元的變化就不是那麼明顯,所以在收集這些科學遊戲時,真的是讓人傷透腦筋。一方面要新奇有改良,一方面還要能推廣,也就是實驗的可再現性要高。所以找了許多的替代方案加入設計,希望對大家能有些啟發。

其中有一項吸油面紙天燈,是參考茶包天燈(或稱誓約升天)的概念製作而成,但我手邊的參考文獻(魔術師雜誌:The Linking Ring)顯示,其實在更早之前,這個演示就是由一位魔術師(Bill Pitts)發明的舞台把戲,敘述了他如何從燃燒著的紙筒中拿出神秘失蹤了的紙幣的故事。所以許多的科學可以隱含在魔術之中,部分魔術之中也不乏科學原理的應用。懂得舞台效果,重視包裝的就會把科學魔術化,但是若是廣告或詐術之流,則會把魔術科學化。
這個熱對流實驗所需要的材料就如標題所述:吸油面紙、火柴或打火機。操作步驟則是先在桌上舖一張瓦楞紙,將吸油面紙捲成圓筒狀,使其直立在紙上。關閉窗戶,可以避免外界空氣對流的干擾。以打火機點燃紙捲筒上端,觀察所發生的現象。
紙圓筒稍微捲一下就可以,再利用打火機由上方均勻點燃

熱對流的原理很簡單,但是若想要用相機靠近拍攝,按下快門的時機一定要拿捏得很準確。因為當紙圓筒由地面向上竄升時,前半段的上升加速度極大,很容易跑出鏡頭外。到後上升過程的後半段,熱空氣的分子動能逐漸降低,溫度逐漸下降而冷卻,灰燼也逐漸冷卻,上升效果不是那麼理想的時候,就是灰燼緩緩下降的開始。
燒了很多張,難得拍到一張離地不遠,而且在鏡頭內的

可以試著操弄以下變因,例如不同的紙筒高度(長筒or短筒)對於上升程度的影響,紙筒摺疊捲曲時的形狀使否有影響,甚至是用過的紙筒跟潔淨的紙筒之間的差異性是否存在,都是可以探討的範圍。
另外或者是以面紙長邊(短筒)或寬邊(高筒)折成圓筒測試看看差異處
還可以用剪刀修剪筒身,看看不同的筒身長短是否會影響上升時的高度

還有一個實驗心得要提供給大家,根據燒了不下百張的吸油面紙的經驗,吸了油的面紙比較容易上升(是因為有燃料的關係嗎?)。支撐紙圓筒的底面不要是完全平的,光滑的平面所造成的失敗率頗高。底部一定要留有一些空隙,讓冷空氣得以從下方的隙縫補充,不然紙圓筒很容易被對流中的氣體推倒。可以實驗的地方諸如有波浪紋路的瓦楞紙板,或是學生課桌上凹凸不平的桌面。最簡單的就是手掌啦,只要內心虔誠,沒有畏懼之心,真的就不會被燒到。

生活中常見的對流現象頗多,例如工廠廠房屋頂轉不停的的對流散熱器,使得熱空氣攀升到屋頂上時有縫隙可以流出室外,或者在屏東福安宮供燒金紙用的金爐,因為頂端有一熱空氣流出的開口,所以金紙會一張張地被冷空氣帶進金爐內部,像是在算鈔票般。這些煞為奇觀的設計,其實隱含了簡單的科學原理。

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