2013年1月19日

科學遊戲-光學-疏水蛋


大家應該都聽過伊索寓言中「金斧頭和銀斧頭」的故事吧,當主角把斧頭不小心丟到湖裡時,因為他的誠實,而換得湖中女神的恩賜。這次所做的實驗是把看似普通的雞蛋丟到水中,雖然不會換得金雞蛋,不過能看到銀雞蛋也不錯啦(其實我比較想看的是女神~)。
準備的材料有:雞蛋一枚、鐵絲一條、蠟燭一支、打火機一個、紙一張

首先將鐵絲彎成螺旋狀的容器,讓蛋可以放在裡面不會掉出來即可。彎曲時,要由下而上逐漸旋轉上來,在上面的每一圈周長都要比下一圈大一些才行,形成上大下小的勺子。要預留一段當作握把,屆時才能讓手遠離火源。彎曲的時候要小心不要刺傷手指。

過期的蛋不要急著丟棄,因為將它的外殼磨碎之後混入土中,不但可以當作花卉植栽的天然有機肥料,在這裡也能搖身一變成為科學遊戲的主角。這一顆蛋的實驗可以牽涉到光學、熱學與化學,一魚好幾吃,將它的功能發揮到極致吧!

之所以使用它,是因為蛋的內部是含有大量水分的液體蛋白。在燭火上直接加熱時,熱能傳遞的主要途徑就是傳導,傳導的方向則是由高溫傳向低溫,也就是從燭火傳到蛋殼上。由於蛋的內部有比熱大的水,故在持續加熱的時候,水便會將外來的熱能吸收,並讓熱能可以繼續傳導進入蛋的內部,所以蛋殼不致迸裂。

水使得整體溫度不至於上升太多,發揮了調節的功能。這和紙火鍋的道理是一樣的。即使是鍋內的水沸騰了,紙也不至於燒起來。由於部分材質的塑膠不耐高溫,燃燒時也會產生有毒的廢氣,所以在做這個實驗的時候不建議使用扭蛋外殼或類似容器,還是一句話:「天然ㄟ尚好!」至於裡面的蛋白嘛,頂多遇熱變性凝固而已。
首先,先用打火機點燃蠟燭,將蠟燭固定在白紙上

將鐵絲彎成可放置蛋的容器之後,將蛋放入鐵絲容器中
底下用蠟燭開始煙燻

在燻的時候,要把蛋放在燭焰之中,也就是要靠近燭芯。由於蠟燭燃燒的時候,火焰內部並未得到充足氧氣的供應,使得內焰溫度較外焰低。再加上蠟燭分子中的碳原子數比較多(固態蠟分子的含碳數達22以上),所以在未完全燃燒的情況下,沒有和氧原子化合的碳就會跑出來,在熾熱的空氣流動下,一縷縷黑煙便由蠟燭的燭焰中竄出。
原本潔白的蛋殼燻完之後就是這付模樣-「黑蛋」
如果燻得不均勻,就讓蛋在紙上左右滾動,換個面再烤
只面上的黑色條紋就是碳粒附著的痕跡

像照片中這樣燒就是比較沒有效率的方法,因為大部分的熱都被鐵絲傳導走了
而且少量的煙根本就燻不到蛋,換燻到實驗者自己

拿得太高也不好,碳粒產生得不夠多,徒然浪費燃料,拖延時間

金屬材質的鐵絲也是熱的良導體,難道手握著的時候不會燙嗎?其實不會!因為即使有少部分的熱能傳遞到鐵絲上,鐵絲也能迅速將熱量傳到空氣中。再者,碳粒附著在鐵絲外圍也會影響到熱的傳導,讓熱能阻絕在外。

舉個簡單的生活實例來說吧!當炒菜鍋在爐上一段時間後,燃燒不完全的碳會附著在鍋具上,易使鍋底變黑,久而久之就會影響到金屬熱傳導的性能,要加熱更長的時間才能達到相同的效果,白白浪費資源。所以每隔一段時間就會看到婦女拿著鋼刷刷鍋子,試圖將礙事的碳粒去除掉。

燻完之後,熱學的部分告一段落,事前的準備功夫才算完成。這時才是實驗的菁華部分,要將「黑蛋」和鐵絲製的容器一起放到水槽中,並沉入水面下,你就會看到一顆閃亮亮的透明銀蛋和變得光亮的鐵絲。這其實是所謂的全反射,是一種和光學有關的現象。
由於近似奈米顆粒的碳原子附著在蛋殼和鐵絲上,使得水分子無法與殼和鐵絲接觸。而且顆粒極小的碳原子暨無法溶於水中,也不讓尺寸相對較大的水分子進入,便在沉入水中的時候抓了些空氣分子一起沉進水中,形成一層空氣薄膜。
我們能看到物體是因為光線進入到眼中,但是因為有這些在碳粒表面的空氣分子,使得在蛋殼上反射的光線得先經過空氣層再進入水中。而由空氣進入水中的過程中,也就是光由疏介質進入到密介質時,入射角會大於折射角,所以在這個界面上所產生的折射光可能就無法進入在液面上的觀察者眼中了,而是由容器逕行穿出。
即使是蛋所反射的光能射到容器內的液面,也會因為在液面與空氣間的入射角過大(臨界角為48.5度),使得這一部分光線在界面上產生全反射,於是有一部分的光便無法被觀察到。
由於碳粒的疏水性質,所以使得水無法附著在蛋殼上
從上面的照片中可以觀察到,水與黝黑蛋殼之間的接觸角大得驚人

既然無法穿出水面或與在液面上產生全反射,那麼就會讓原本黝黑的蛋更顯得異常黑亮,而且在液面下的空氣夾層產生了凹透鏡的效果,使得蛋看起來就像是縮小了一般,原本的位置則是被空氣層所取代,因此看起來就像是擁有銀色透明外殼與黑色內容物的怪異現象。
做完實驗之後,先別急著將蛋棄置一旁,先讓學生猜猜看蛋裡面的模樣
敲破燻黑的蛋,可以發現裡面還是液態的蛋白和蛋黃

如何證明它是凹透鏡的效果呢?有個很簡單的做法,就是在燻黑的蛋殼上刻出一個箭頭,朝哪邊都沒有關係。下水之後,就會看到和原本刻畫方向相同的縮小箭頭了。

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