2018年12月24日

科學玩具-熱學-自製走馬燈

在國中階段的教學中,應該將概念與生活建立連結,並且融入探索活動,而不僅止於知識建立。因為唯有從無到有的過程中,才能發現問題所在,進而思考理解、搜尋嘗試、進而有效解決問題。

以製作走馬燈為例,初階的問題就是在自己做的過程中出現。看人家做是一回事,自己做又是另外一回事,在腦海中的模擬訓練是必須的,但是實際上卻有可能面為接踵而至的狀況,真實世界並非理想化環境。
第一次做,可以先用自己的想法做,不要按圖索驥(先在杯底割出8片扇葉)
發現轉動效果有限,隨即思考、找出癥結點

一開始,在杯底割出扇葉就會面臨問題,考驗的是規劃與執行的能力。有些人會直接出手,不在意扇葉間隔與大小,有些人會規劃好間距與角度再動刀,但畢竟腦與手協調性因人而異,實際上割出來的模樣和理想中會有落差。想割出幾片扇葉,就是其中一項變因;扇葉摺起的角度,又是另一項變因。

另外一個影響的因素則是工具,合適的工具讓狀況迎刃而解,隨便拿的工具只會讓人心情不美麗。初期下手畢竟不比電腦執行精確、到位,也就是實力和運氣兼具,但執行的次數越多,熟練度越增,能將人為的誤差影響降至最低。
側邊再等距割出4片扇葉,杯外印有縱橫交錯的線條,切割起來方便許多
轉動效率大幅提升,有效解決空氣對流的問題

由於選用的紙杯杯緣大小與白熾燈泡圓周長相近,燈泡未被紙杯覆蓋的部分也同時對周圍氣體加熱,熱空氣雖然還是上升,但從杯緣進入補充的冷空氣有限,便發現紙杯要轉不轉的。也就是必須另闢途徑,讓冷空氣得以順利進入杯中補充,因此在側邊另開四片扇葉,看看效果如何。
 
支撐紙杯的支柱與杯底間的摩擦,當然也是影響因素之一
若是使用從乾電池拆下來正極金屬片搭配注射針頭,可大幅降低轉動摩擦

當然在扇葉的順時針或逆時針的安排上,可以花點巧思,每個人可以設計不同的扇葉開口排序與對比,全部開同一邊當然會轉得比較順暢些,總是要證明看看得好,不需要每次都做「想像實驗」,有些扇葉開不同邊也是另一種方式,杯底和側邊開口的方向不同也不錯,總是不要書上說什麼就是完全相信,做做看之後就是自己獨到的經驗。
 
雖然白熾燈泡的價格相對便宜,但是後續使用的耗電所費不貲
在節能省電的各式
LED照明設備夾攻下,白熾燈泡已經是快絕跡的時代產物

白熾燈泡的能源轉換效率不高,大約只有10 lm/W,也就是一顆100瓦特的白熾燈泡才能達到1000流明的照明效果,大部分的電能都變成了熱能,用久了可是燙得很,即使關燈了仍要小心,徒手換燈泡就像是拿到燙手山芋般,畢竟玻璃不是電與熱的良導體,還是隔著手套或抹布拿著比較安全。

 LED燈泡難道不會燙嗎?哪有這回事?電流通過封在燈泡內部的元件,燈體溫度一樣會上升,照樣熱死自己,所以不建議將LED燈泡放在密閉環境中(例如崁燈+燈罩),無法散熱的環境只會讓晶片縮短壽命,被自己排出的廢熱悶掛了。咦?下場怎麼有點像釀造酒裡的酵母菌被發酵後的酒精灌醉一樣。

2018年12月8日

科學玩具-物性-溶怪記事簿

很久以前,大創的玩具區還有這個翻譯成「溶怪記事簿」小玩意兒,從日文原意來看,就是妖怪便條紙的意思,也難怪包裝封面上出現殭屍、蝙蝠和骷髏頭;從英文「Dissolution Memo」更容易看出它的功能,也就是會溶解的備忘錄。既然會溶解,那麼在水龍頭下沖水,便可將便條紙破壞,使得文字無法辨識,這就是它的玩法。

玩法很簡單,先在便條紙上書寫圖文,讓其在水中浸濕
輕輕搖晃,即可將紙張纖維溶解

這裡的輕輕搖晃,其實是加速溶解、分離的過程,就如同鹽或糖放在水中時,玻璃棒的攪拌起了加速溶解的作用,說明書中所建議的搖晃動作也是提供擾動,紙張與水相對的運動使得紙張纖維較容易分離開來,比起靜置久候的效率更高。

包裝裡共有
15張便條紙,摸起來較一般的影印紙粗糙,沒有上漿的平滑感
請女兒幫忙寫幾個字,結果寫了她的心聲……

一開始,當然要做對照組的實驗,所以就將便條紙直接放在水中,等候它的分解。不過這一等還真久,可以看到它被浸潤濕透,但是便條紙的纖維還是非常團結地在一起,紙上的字跡仍可辨識。用攪拌棒撈起時,水的重量才讓纖維撕裂開來,不過,只要小心或力氣小一點,還是可以保持其完整性,這讓我聯想到撈金魚的紙網。
 剛開始攪拌時,可觀察到有被擾動到的部分纖維開始現形
隨著攪拌過程漸長,纖維出現的數量越來越多


便條紙由短纖維組成,乾燥後依靠彼此的附著力結合在一起
沒有其他的複合媒介,所以容易遇水而分解

短纖維的組成在橫向及縱向結構上的結合力均不大,便條紙的韌性明顯不足,所以靠的就是「壓密」,讓好幾層的短纖維有機會疊合交錯在一起,乾燥後才不易散開來。再生紙也是將原本的纖維摻水、打散、打斷、重組,再製作出可重複使用的紙張。

心裡不由得這麼想,這種便條紙跟可以丟進馬桶沖掉的平版衛生紙有什麼不一樣呢?衛生紙剛丟進馬桶時,經過一段時間同樣不會散開,而當馬桶沖水時,水流的擾動才會將衛生紙沖散,馬桶才不會阻塞。想一想,還真的好像,所以溶怪記事簿……也可以放在廁所中使用?

2018年11月6日

科學遊戲-化學-大象的牙膏隱藏版

大象的牙膏隱藏版其實就是噴射加強版,在單位時間流量相同的情況下,截面積越小的,流速會越快,而截面積越大的,流速則較慢。因此,如果拿量筒立於桌面做為實驗容器,那麼生成物(加泡泡)到了出口處,就是以柱狀型態長出來,若是以圖中的「塑膠滴瓶」做為容器,當生成物(加泡泡)充滿容器且到了尖嘴端時,在壓力急遽增加下,使得泡泡帶著生成物直往上噴,這種道理就像水槍、噴槍一樣。

舉個例子來說,曼陀珠加入可樂時,突然出現的凝結核導致二氧化碳大量湧出而出現可樂噴泉的現象,如果實驗過程中不是用既有的汽水瓶呢?又或者,醋酸加小蘇打所模擬的火山噴發實驗中,岩漿噴發的出口是很小的呢?

不過,要做這種嘗試,得在空曠的地方,除了護目鏡等安全裝備以外,還需要擁有矯健的閃避身手,不然不建議嘗試。
 
為避免反作用力過大、不均而導致傾倒,建議將滴瓶黏在底座上

2018年4月22日

生活科學-視幻覺-旋轉風向計

2011131日經過淡海新市鎮時,聽在路邊拍下這一幕。風速計或風力發電機的旋轉方向可以經過個人的大腦判斷與解釋,決定成為順時針轉動或逆時針轉動(或許與實際轉動方向不同)。尤其是風速變大、轉速加快時更為明顯,透過背景、遠近、視覺線索這些條件,讓觀察變得更有趣。
 
轉速慢→
 
轉速快→

相關文章:生活科學-視覺-向左轉?向右轉?

2018年4月18日

生活科學-浮力-天燈

2011131日的平溪鐵道上,天燈下綁了一串鞭炮,天燈邊上昇,鞭炮邊劈啪作響,除了多付一點錢聽聲音以外,願望應該還是達不到天聽。

話說,我只是路過的路人……或許旁觀者清。
 

2018年3月2日

科學玩具-力學-出氣球


曾經在部落格中出現過的黏球玩具-黑豬
倒不是重現江湖,而是照片是
2014年拍的,那時候王小胖還是國小生

有一種叫做「出氣球」的玩具,很久以前流行過一陣子,雖然消聲匿跡過,不過隔了幾年又出現在夜市或是玩具商的攤架上,造型多變,有的呈球型、蛋型,還有的外觀是水果的模樣。如果不動它的話,似乎就像是一個正常的擺飾,但摸起來卻是軟軟的,表層具有黏性。仔細一瞧,就像是個灌了水的氣球般,只是它的皮厚了許多。
 
出氣球的材質和特性相當特殊,怎麼摔、怎麼打都不易損壞
也不易讓遊戲者受傷,適合精力旺盛的小朋友們拿來玩耍,倒不是真的拿來出氣

造型與種類繁多,有水果類的草莓與柑橘,也有老鼠和雞蛋
不限於球狀,但材料的性質讓外觀大多是圓滾滾的

出氣球受力之後會產生形狀變化,並且具有可以回復原狀的彈性恢復力。若是將它向堅硬的地面上丟,在撞擊瞬間發出一聲「啪!」的聲響,同時形成一塊扁扁的「爛泥」,而且越用力聲音越響,也就越扁平。此時再發揮它的黏性附著在撞擊面上,攤開面積越大黏得越牢,恢復得也越慢。
「啪!」的一聲,撞擊面攤平在平坦的磁磚上,離撞擊點越遠的厚度越薄
越薄的地方越透明,而中央是深色而不透光的團塊

出氣球的材質是矽膠,裡面裝有水分和氣體,所以才能藉由材質本身的彈力恢復原狀。由於玩的過程中會接觸到不同的材質,當然免不了也會沾黏灰塵、毛髮之類的髒污,所以黏性會越來越弱,要是置之不理,就很難在黏附在任何表面上。使用清水沖洗雖然可以將明顯的髒污去除,不過也會將黏液一併洗去,雖然進行了表面清潔,但黏性也因此不復以往。
 
黏附的地方不只是完全貼平,而是將來不及脫離的空氣也一併打趴
出氣球邊緣的這些圓圈並不是破洞,而是大小不一的氣泡

即使在丟的過程中,也記得不要將它往木板或水性油漆粉刷過的牆壁上丟擲,因為出氣球表面有一層黏液,與碰撞表面接觸時會殘留並滲入內部,將留下洗刷不掉的痕跡。最好是將它丟在地板磁磚上,只是必須小心不要用力過度,免得造成運動傷害。

使用在填充水的水球握起來和填充氣體的氣球感覺是不同的,其中最大的差別就在於用途的不同致使氣球膜的厚度出現差異,水球的膜比較薄、容積小而易破裂,而氣球的膜稍微厚些,能撐大許多。當水球撐得渾圓飽滿時,只要稍微有點外力,就能讓它破掉,便是薄膜繃緊時的張力與液體的不可壓縮性。

用力擠壓在出氣球上,出現的是形狀的改變
雖然不至於破裂,但難以壓縮的液體造成不同部位的膜的厚薄出現差異

力作用在飽滿的水球上,力量穿透過薄膜傳遞到裡面的液體,液體能傳遞作用力,但卻無法將力量吸收或宣洩掉,薄膜因而破裂。而出氣球的膜厚了許多,可以承受更大的外力,僅是變形或變薄,沒那麼輕易被破壞。

早入手的是荷包蛋型態的出氣球,但是放久了以後,它卻越來越膨脹,竟然有氣體出現在裡面,而且還越來越多!?玩弄久了,黏性逐漸消失,鼓鼓的外形就像未裝滿水的水球,一點都不像扁平的荷包蛋。那麼,它比較容易破嗎?思考看看!

2018年2月13日

科學遊戲-化學-白膠灰泥再體驗

因為白膠已經瀕臨過期了,所以又把它拿出來再做一次實驗,和前一篇文章的步驟與材料都相同,所以便不在此再贅述。而且硼砂……如果不是因為家裡髒亂而需要摻點糖水調製成殺蟑滅蟻的除蟲膏,誰會在家裡擺一包用不完的化學毒物?只有理化老師會這樣做吧,不過似乎也在合理範圍內。
 
 準備的材料和上次一樣,只不過杯子換成沒有紋路、方便觀察的塑膠杯
另外還準備一支塑膠製的藥匙,方便挖取適量的硼砂粉末

 
首先在杯子裡加入硼砂粉末,但是不加水溶解,會這麼做是有原因的

另外加一大匙挖起來的白膠,直接與硼砂粉末攪拌混合
因為主成分內含純水20,所以想試試看直接反應的效果如何

 
果不其然,直接混合也可以進行交聯反應
而一開始的確有「泥」的感覺,但隨著攪拌的過程,白膠逐漸聚縮在一起

 
杯壁上的殘留物也逐漸被吸附上去,而且逐漸變硬
以攪拌的動作其實沒有持續很久,黏在一起就沒有需要再攪拌了

 
完成品出現了,不過比較像白泥而不像灰泥
而這次所做的成品和上次有一點點的不同,可以直接看出「濕」的地方在哪裡

 
像這類縮合聚合會將水份踢出來,無法讓非我族類的東西留在裡面
所以從杯子旁邊看的話,會有霧霧的小水滴附著在杯壁上

這次實驗最大的收穫是發現了水的存在,而且被排擠出來,由於硼砂粉末不含水,因此唯一的水來源就是白膠了。不過沒有水的溶解與潤滑,交聯起來的就會卡卡的,巨大分子之間彼此錯動非常不順。膠泥拿起來用手捏握還會滴下水來,水份之多讓第一次操作的我嚇了一跳。
 
 經過一段時間拿起來後,發現也有幾毫升的水沉在杯底
而沒有瀝乾就將它杯子移開,結果還不小心滴了一滴在黑色的紙板上

 
開再看,其實裡面的交聯現象跟上次實驗結果一樣,沒有辦法延展和塑型
所以還沒想到它可以有什麼用途,這一類型的實驗產物下場會是……?

這算是一篇實驗記錄文,在科普書籍中看到時就想做做看,不過做了才知道其中的巧妙,所以看完書之後,如果只是在心中模擬想像,當然會把實驗理想化,也因此會和實際不同。科普書籍是透過閱讀而獲得資訊的來源之一,有些化學實驗上的結果比較會是作者主觀的描述,讀者在重複操作的時候會因為環境、材料準備的不同而出現些微變化,所以會建議將材料品名、數量及等級規格寫出來,比較容易出現成功的經驗。

下次來試試一滴一滴慢慢來,看看有什麼不一樣。