2013年2月9日

科學玩具-壓力-青蛙天氣預報員


這是日本版的青蛙天氣預報員,又稱為晴雨計天氣預報瓶
封面上還有日本氣象名人的推薦,天氣的預報要看雨傘的傘柄內水面的高低

這個教具應該是屬於地球科學的範疇,因為光就它的英文名稱來看─青蛙天氣預報員─就可以知道它的用途,再加上包裝盒上的圖示讓人清楚地知道如何讀取它所透露出來的訊息,所以看起來似乎還蠻有趣的。
造型像是青蛙撐著一把小雨傘,裡面則可隨使用者喜好灌入不同顏色的水

當氣壓不同時所形成的水面高低也不同
氣壓稍高時,水面會低一些,屬於晴朗的天氣;氣壓低時則容易下雨

剛好最近台灣缺水,所以就把這個從日本帶回來的科學玩具拿出來,一則展示一則祈雨。可以看見的巨觀現象是水面的高低,當水面上升時,代表密閉容器裡面的壓力大於外界大氣壓力,所以此時號稱為「氣壓較低」,使得天氣較為陰暗;而水面下降時,代表密閉容器裡面的壓力小於外界大氣壓力,所以此時號稱為「氣壓較高」,使得天氣較為晴朗。
這是內容物,包含青蛙造型的容器、針筒以及風管,就這麼簡單

當針筒汲滿所需的有色液體後,必須接上長長的風管
而且要將風管伸入本體才能將液體無礙地注入容器內

唯有透過這個方法,欲往容器內部進入的水和被擠出來的氣體才不會互相阻擋,不然若不信邪,可以直接倒水看看,保證一定一下子就滿出來,水也沒進去多少。這是因為氣體和水都屬於物質,只要是物質,就具有質量並占有空間。當不易溶於水的空氣無法排出時,空氣所佔有的空間自然不能被水毫無限制地侵入。
所以透過風管讓液體進入,而空氣從風管外圍被擠出
一支25ml針筒的水量不夠,通常要重複三至四次才夠

用風管還有個好處,就是注入含有食用色素的水時,液體可以直接送達理想的位置,而不會在器壁上殘留,妨礙接下來的觀察。調整好大略的高度之後,便可以進行觀測了。之所以說是「大略」,是因為傘柄上沒有刻度可以進行校正,事實上也不需要,原因後面再說。目前只要調整到容器內部的氣體和外部的大氣沒有相通即可。
從側面觀察,目前柄內的水面比容器內的水面低
但這並不代表現在是高氣壓,而此時傘柄內液面高低是在於人為的調整

因此這個教具的變因很多,沒有量化的數據
但是從另一方面來看,它可以是種桌上的小物,不過要小心翼翼地不要碰撞到它

開始觀察時的最重要記錄就是初始值,如果一開始沒有記下來的話,那後面的數據或現象就真的不知道要和什麼做比較了。而按照說明書上的建議,青蛙本體裡面的水體高度為3公分,而傘柄的初始高度則還要再多個2公分才是「標準位置」。
如果是誤用連通管原理來思考這張圖片,你可能會覺得兩邊液面高低是不合理的
但如果是利用PV為定值的想法來切入思考,就會豁然開朗

以前曾經做過一組科學玩具─壓力─神奇魚缸,所牽涉到的科學原理也與大氣壓力、PV為定值有關。在地球上的大氣壓力是由氣體的重量所造成的,標準的一大氣壓(1ATM)是1013百帕,而「帕」即為紀念帕斯卡的貢獻而採用的氣體壓力單位。
這就是說明書所建議的「標準位置」
但隨著水份的蒸發與環境溫度的變化,還要約略調整

為什麼裝置設定完畢之後還需要微調呢?原因很簡單:「水會蒸發。」在任何溫度下,水分子都以不同的速率從水面進出,整個水體的體積並不是從頭到尾都一樣,再加上傘柄處不是個密閉空間,所以液面的升降影響因素並不只有大氣壓力而已,也就是說,它不是個萬年精準的儀器。
連續拍攝幾張圖片讓大家來找碴,你看得出裡面的變化和問題嗎?

其實這組教具還是有使用上的限制值得注意,就是環境因素的影響。包括擺設的位置和溫度。一般是建議它不能擺在窗邊直射陽光,因為容器如果被陽光照射而升溫時,氣體的膨脹會比液體更加明顯,所以會把傘柄內的液面昇得老高,造成解讀上的錯誤。

另外就是晴雨計本體不能直接和比熱小的物體接觸!例如直接放在地板磁磚上時,因為熱量的流失使得容器內的液體及氣體溫度下降,氣體的體積會明顯縮小呢!所以你現在知道上面那四張照片的問題了嗎?雖然照片是在20096月的夏季拍的,室外豔陽高照,但是傘柄內液面正在直直落,原因就出在於當時儀器是被放在磁磚上觀察,室內正開著冷氣。
這是開冷氣時的結果,你能說現在的外界大氣壓高到很誇張嗎?
其實要考慮的因素還蠻多的

這是不開冷氣時的結果,比原本的標準值還高出2公分
那你能信誓旦旦地說外界目前是低氣壓嗎?

所以建議這種晴雨計是必須放在室內陰暗且沒有風的地方,而且最好能放在塑膠盤上,因為溫度變化而影響的精確度不能說不大。

另外還是忍不住要抱怨,同樣是大陸製品,但是外銷到日本的產品從紙盒外觀到內部包裝所使用到的保麗龍盒都很精緻,而且也方便拿取,更重要的是還有使用說明書單張和原理解釋小冊,還有專屬天氣地圖網站可以諮詢,所以我覺得這筆錢(¥1500)在日本花得很值得。不過來自其他通路的相同產品,包裝就比較隨便了,保麗龍盒顆粒容易掉落而且粗到不行,保麗龍盒不易從紙盒中取出,甚至連說明書都只有幾行「簡介」。

沒有留言:

張貼留言