2013年2月10日

科學玩具-熱學-火花陀螺


物質可以透過各種方式自願或非自願地擁有能量,也可以將能量以各種形式交流出去,可能是光,也可能是電,或是其他的外顯形式。學過國中理化的人都應該聽過不同形式的能量可以互相轉換,在轉換的過程中,可以將原本所吸收進去的能量,以另一種形式釋放出來,但能量的總值是守恆的(當然這裡所討論的是能量守恆,而不是質能守恆)。

生活當中隨時隨地都有這種轉變隨時在進行,如同你坐在電腦前看這篇文章一樣,能量在你與環境之間、在螢幕亮點與眼球裡的桿狀、錐狀細胞之間傳遞著。若不仔細觀察體驗,有很多變化就在無聲無息的轉變就這麼過去了。在所有最常見的「理所當然」中,摩擦生熱是最常見的應用,是古人的智慧,但也是最常被忽略的過程。

課堂中擁有一個小道具,就能讓能量轉換的現象作出更多延伸。例如鑽木取火,體驗原始的生活與氣息,但是你可以再進步一點,拿個打火機會比較遠離Low Tec。常見的打火機就是利用摩擦來點火,使用了拇指來撥動圓輪形的金屬銼刀,使它轉動並摩擦裡面的打火石來產生火花,將噴氣口噴出的丁烷(氣體)點燃,於是產生了火焰。
 
一個懷舊的玩具,總能勾起一些念舊的人兒時的回憶與熱情
火花陀螺的火星,再次點燃心中那片廣闊的角落

不過火花被包覆在金屬罩殼中,不易被瞧見。所以火花陀螺便是摩擦發熱,更是散出火光的迷人玩具。不同的物質分子有其不同的特性,有的活潑好動,有的就相對安逸沉穩。若是給予能量,達到一定的程度時就能使其脫離原本的束縛。脫離之後呢?用不完的能量以熱(甚至是光)的形式拋給鄰近的空氣分子,強迫它們接下這燙手山芋。
 
照片中有兩個圓盤,一個(上方的)會旋轉,另外一個(下方的)固定不動
旋轉的機制來自於底下的啟動軸

仔細觀察它的構造,可以發現裡面有一組簡單機械,包括齒輪、旋轉盤等等構造。向前推啟動軸,使上方的圓盤開始旋轉,圓盤下有對稱配置的槓桿,每個小槓桿下方都有一段黑色短棒,上方的圓盤轉動時,底下的黑色短棒便會被帶動旋轉。
黑色短棒中,夾雜了金屬與非金屬,看得出來它的少許金屬光澤
小小的玩具裡裡面可是含有鑭系金屬哦(鑭系在哪裡?自己翻翻週期表)

當黑色短棒被迫做圓周運動的同時,會摩擦下方圓盤上的粗糙表面。摩擦過程中,除了產生熱能,也能清楚地觀察到火星的迸出。功作得越多,圓盤轉得越快,火星產生的瞬間也就越絢爛。透過有色濾鏡觀察,跳躍的微小火星也能從原本的黃紅色被過濾成藍色或紅色哦!
上方的圓盤有兩個「觀景窗」,一紅一藍
如果從上方觀察,就是強迫眼睛接收這兩種色光的波長

摩擦真的只有生熱嗎?當然不是!摩擦是指相對運動的物體表面間所產生的現象。以微觀的角度來看,由於表面的性質(光滑程度)隨物體而異,而且所有物體表面並不像我們想像中的那般平坦,都只是程度上的差異而已。因此在物體近距離錯動時,表面凹凸不平的部分難免會產生碰撞,並對運動中的物體會造成某種程度上的損害。
從小孔中可以觀察到啟動軸上的鋸齒,想必有一個齒輪在圓盤的中央軸心上
透過這些簡單機械,可以將直線軌跡的運動轉換成圓盤的圓周運動

同時在摩擦碰撞的過程中,物體原本有的能量會因為能量耗損而降低,而轉變出來的能量通常會以熱的形式出現(能量再高一點就會以光的形式出現)。在這個令人眼睛為之一亮的玩具中,含有鑭系金屬的短棒在被粗糙的砂紙銼磨時,帶著熱能的碎屑就會迅速與氧化合而產生火花。
有了這種可以人手一個自行操作的火花陀螺,教師應該不用攜帶危險又刺耳的砂輪機進教室吧?課本上的圖片有時候還是離小孩子很遠的。

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