科學玩具柑仔店(Darling の優): 科學玩具－熱學

2013年2月3日

科學玩具－熱學－伽利略溫度計

原文發表於Yahoo奇摩部落格2010年11月18日。

為什麼這個東西叫做伽利略溫度計（Galileo thermometer）呢？其實根據研究資料，都指向伽利略當初在講台上所作的教學演示。1597年的帕多瓦，伽利略向大眾展示了他所設計與製造的初代溫度計，顯現出他在科學上不只有獨到見解，還能將物體在不同溫度時的「熱脹冷縮」原理，形成密度的改變，應用在工藝與科學之中。

最早的伽利略溫度計是由一根長直的玻璃管構成。一端開口，另一端有個容易被加熱的空玻璃球泡，玻璃管中有水柱。當環境轉熱的時候，由於玻璃球泡內的氣體膨脹程度較大，使得球泡內部壓力增大，而將玻璃管中的水柱向下壓，水柱就會下降。但是，這種「開放式」的溫度計不僅受環境溫度變化的影響，也會因為大氣壓力的改變而受到影響。所以當初的設計上並不完善，因此現今的溫度計都是「封閉式」的，以免受到大氣壓力的影響。

在筒身底部的浮球，每顆的顏色都不一樣

這是為了美觀，所以浮球外觀製作成水滴狀，很像DQ系列的史萊姆

有的浮球是浮著的，有會沉到底部

但是筒子的大小一次只能讓一個浮球通過，因此浮沉的先後順序是固定的

管中的浮球同時受到重力與浮力的作用，重力向下而浮力向上。根據力的合成的觀念，方向相反的兩個力量合成時，如果大小相等，且作用在同一直線上，就會形成合力為零的狀態。也因為合力為零，所以浮球會靜止在液面上或液體中。但若是向下的重力大於向上的浮力，那麼物體就會一直下沉到容器底部。

每顆浮球下面都掛了一面金牌，牌上標示著溫度數值看到數值

就能知道室溫大概是多少

那麼浮力的計算又可以往前推到阿基米德當初歷史性的裸奔（請自行想像，我對男人的這種行為沒多大興趣），而後經過量化的數學公式便成為「B=V_物沉*D_液體」。中文字面上的意思就是「物體所受到的浮力等於物體沉在液體中的體積乘上該液體的密度」。

市售伽利略溫度計的運作原理跟熱脹冷縮脫離不了關係。而體積的變化，當然也跟密度變化息息相關。整組溫度計最主要的改變，應該是玻璃管中的透明液體的體積與密度。當環境溫度上升時，透明液體受熱膨脹，密度較之前為小，使得給予浮球的浮力也變小。但浮球的重量並沒有因此而改變，所以浮力變小的浮球就會開始往下沉。

想知道溫度讀數，就要觀察筒身上端的浮球堆裡的最下面那一顆

例如現在的標示溫度就是攝氏26度

沉在底下的玻璃浮球均為重力大於浮力的最佳例證

玻璃球脹縮的幅度應該盡可能小一點，避免因為體積的變化而影響浮力

國中理化的入門，往往是從實驗室開始介紹儀器的使用與基本測量，然後進入到物質密度的觀念。新手理化老師常常會快速地帶過去說：「密度是物質的特性之一，是一個不變的值。」專心認真的學生就此誤會密度是恆常不變的；不專心的學生反而不會受到影響（這究竟是好事還是壞事？）。

其實我們該告訴學生的是：「所有不變的狀況，是有條件和限制的。」因為溫度升降會造成物質的體積變化，壓力同樣會成為狀態之間變化的難易關鍵。密度並不是因為它是特性所以不會改變，而是必須在相同的條件下，這個說法才能成立。