科學玩具－熱學－伽利略溫度計

手邊有大型和中型的伽利略溫度計，20年前的大型購入價為1500元，15年前購入中型則花了299元。雖然它是結合科學與工藝的精緻玻璃裝飾品，然而它真的不具實用性，真的是以「觀賞用藝品擺設」為主，對於溫度變化的敏銳度也不高，真正可以使用成品來探究的次數和機會真的不多，大部分時間都是可遠觀而不可褻玩焉。

美麗的事物人人皆愛，儘管只是擺著，還是賞心悅目

不論尺寸為何，圓柱型玻璃管上端均為收合的尖端，而管內的透明玻璃浮球，則分別裝著不同密度的液體，每個浮球的下方掛著刻有溫度的銘牌。隨著溫度的變化，玻璃浮球會依序上下浮沉，如果室溫較銘牌上所刻的溫度低，浮球就會浮起，並升至玻璃管的上部。每個浮球都可視為不同密度的物體，因此調整浮球內所盛裝的液體量後封裝，便成為一項艱難的技術挑戰。

集合眾人之力，將熱能傳導給玻璃，再傳入給管內的液體
使它產生體積變化，進而改變密度

當室溫改變時，透明液體的密度會隨之改變，使得懸浮著的浮球上下移動，直到與周圍的透明液體密度相等。密度最小的浮球在最上方，最大的在最下方，玻璃管的直徑也看得出設計巧思，須小於2倍浮球直徑，才不致讓浮球交換彼此的上下位置。讀取溫度時，則要看懸浮在上部最底端的那一個浮球銘牌哦！

 
安全防護措施加上簡介與科學原理說明，就是教務處的科學玩具柑仔店
走過、路過，肯定不會錯過

由於大型溫度計的垂直高度約50公分，一旦倒了、玻璃管碎裂就毀了，裡面的液體特別難聞，如果你聞過石蠟，應該很難忘記。所以我為它做了一個複合底座，取用了生生用平板的iPad包裝盒，再與不知道為何尺寸就那麼剛剛好的地漏芯紙盒搭配，一左一右就能將溫度計夾緊，盒外再加上奈米膠帶，就不容易被移動，甚至翻倒。

學生手握溫度計並直接觀察玻璃浮球的移動
也許她會忘記浮力原理，但不會忘記曾經觸摸過的科學

既然有浮有沉，就跟阿基米德浮力原理脫離不了關係，學生也能將它跟正在學習的理化單元連結起來，讓知識不再是孤單的島嶼，而是可以跟著科學奧秘漂浮在其中，在知識的海洋中到處遷移。

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。

科學實驗－熱學－海藻酸鈉硬起來

原本配製海藻酸鈉水溶液的用意在於進行化學粉圓這個活動，也就是讓它與氯化鈣水溶液反應而產生讓小分子可以自由進出的半透膜。但是活動進行到最後總會有一些剩下未用完的水溶液，直接倒掉很可惜，因為就食用級藥品而言，它並不是種很便宜的素材，而且價格還依等級而有區隔。

所以保留下來的藥品怎麼處置呢？如何延長保存期限呢？一般來說就是放在冰箱「保鮮」了。但是放在冷藏區中又怕小朋友拿到，所以會將瓶瓶罐罐移至冷凍庫中，等到再次使用的時候再拿出來解凍。

未冰凍前，水溶液仍保持原本流動的性質

體積雖然沒有變化，但形狀可以隨容器形狀而改變

這個藥品在水中泡久了，即使在密閉容器中還是會產生難聞的氣味，所以通常是使用前的兩、三天才調製所需的份量，並盡量使用完畢。可是某一天想再利用這些剩餘藥品的剩餘價值時，卻發現從冷凍庫中拿出來的它並沒有像想像中的那麼安分守己。

在未開蓋前，透過玻璃瓶即可發現冰凍的水溶液中有塊區域特別突起

印象中沒有任何一種冷凍方法可以針對特定區域這樣做

在冷凍庫的環境中，玻璃瓶是直立的，所以若是純水的冷凍，所出現的固體形狀就是瓶身下半部的樣子，表面即使微突，也是因為水分子凝固時的排列所致，使得固體體積比液體體積稍大一些，但不論如何膨脹大致來看也應該是均勻的。但是眼前的特定區塊膨脹實在令人好奇，反覆解凍、冷凍皆可以發現這樣的現象。

溶液原本是均勻的，但越往上方，結凍的區塊越小，並非規則的對稱分布

解凍之後又慢慢萎縮回去融合成一體

這種現象讓我想到海冰的形成，水中的物質越多就越難結冰，氣體也是其中常見的物質，也就是凝固點會因此而下降越多，而且鹽是離子化合物，不管是鈉離子或是氯離子，數量越多都會讓冰晶更難以形成。而且不純的海水在形成冰晶的過程中會將大部分的鹽排出或是讓來不及排出的鹽以結晶的形式留在冰中，所以裡面留有的不只是冰晶，可能還有鹽泡與氣泡等等。或許海藻酸鈉水溶液也是在凝固的過程中一邊排出海藻酸鈉讓水變成冰，一邊讓高濃度的海藻酸鈉凝固在上方呢！

生活科學－熱學－福安宮吸金爐

車城福安宮很有名，旁邊的地方小吃及特產不說，有名的點就是香火鼎盛，也因為人潮絡繹不絕，讓裡面的旺盛的香火直衝天際。人潮帶來錢潮，周邊的商家依附著這間廟宇維生，所以載著香客的遊覽車一輛接著一輛的來，負責交通指揮的志工口中的哨聲也一直沒停過。

不管什麼時候去車城福安宮，總是看見人潮往裡面走，裡面更是人山人海

這是建築的正面，現在後方還在增建當中

來到廟宇，大部分信徒都會添點香油錢、將供俸完的金紙拿去一旁的火爐中焚燒。而廟方為了幫信徒遮陽避雨，還在走道上方和兩側加上頂棚和透明塑膠窗，其實這樣會讓走道搖身一變一個通道，讓空氣在裡面流動，就像橫向的煙囪一樣。

從廟裡面走往金爐的通道上都被遮擋住，成為一個限制氣體流動的空間

所以站在那裏的人都有自然風可以吹，但這是自然形成的嗎？

由於煙囪內對流旺盛，熱空氣快速上升，在金爐內的空腔中造成負壓，使冷空氣從外灌入，所以當通道裡的風（運動中的空氣）從高壓區流向低壓區時，香客就會感覺強風從廟裡吹向金爐，手上拿著准考證或戴假髮的人得要小心。

煙囪越高對流越旺盛，這個爐約有三至四層樓的高度

雖然一樓沒有用到，但是二樓以上的煙囪已足夠讓對流比其他的廟宇旺盛許多

增加煙囪的長度可以有效增加熱對流的效果，同時也讓熱空氣的運動方向有所限制，一旦能快速排除熱空氣，冷空氣就能越快速地補充進來，不但與內外壓力差異成正比，也與當時的溫、溼度有關。所以下次有機會到這裡來參拜時，記得在走道上停留一下，享受非自然形成的自然風吹拂，也看看吸金的神力（參考文章：生活科學─熱學─自動吸金爐（神明點鈔機））。

生活科學－熱學－點香火爐

它是一種點香用的火爐，但沒有使用燭油，也並點燃瓦斯、煤油這一類的燃料，所以不需要把一束香放進火焰中，但看不到火焰卻能將香點燃是怎麼回事？火咧？去哪裡了？從外觀來看，這個點香火爐矗立在地面上，除了爐體本身並無其他外接管線，看不到蠟油，爐內佈滿灰燼。

從側面觀察，可以得知它能提供的功能

但如果沒有這幾個字，香客可能會誤以為它是純粹插香用的香爐或垃圾桶

但是，把炷頭插入這一堆灰燼裡頭，立即會碰到障礙物，只要一下子就能將炷頭點燃，所以這一堆灰燼底下一定有玄機，得要撥雲才能見日。既然它能將香在短時間內點燃，那灰燼以下的空間裏一定是相當高溫的環境。隱藏在裡面的高溫熱源，其實就是燃燒中的木炭，僅在木炭上覆蓋一層灰燼而已。

火焰是劇烈氧化反應進行的地方，因為所釋放出來的較一般平緩氧化反應的能量還要大上許多，所以不只是熱能，還能放出光。劇烈氧化中的高溫木炭，如果暴露在空氣中，在氧氣供應充足時，木炭持續不了多久的時間。

灰燼下的木炭要不要補充？當然要啊，木炭總有燃燒殆盡的一天

這時要先把灰燼撥開，將新的木炭放進去鋪平壓實，再將灰燼重新覆蓋上去

所以在木炭上覆蓋灰燼的用意，除了隔絕空氣以延滯燃燒氧化的速度（但不可能完全阻絕），也讓熱對流不那麼旺盛，這些都是延長木炭燃燒壽命的方式。所以歸根究底，它仍是使用化石燃料，但卻相對的節省，以後有機會走訪台南南鯤鯓代天府時，不妨體驗看看這種沒有明火的點香爐，點燃自己與神明溝通的亮點。

科學遊戲－熱學－寶特瓶塑身

原文發表於Yahoo奇摩部落格2012年12月18日。

有天我回家發現儲存鐵粉的罐子發生體積變化時，我著實訝異了一下，以為自己發現了什麼新的現象，可以寫成一篇論文出來炫耀，內容約略是「密閉系統內的鐵粉氧化之後，使得瓶中氣體減少，內部氣壓隨之降低，因此保特瓶被外界的大氣壓力壓扁」、「從這個現象可以推估評中所含氧氣進行氧化現象的比例」云云之類的推論。

被隱形力量壓扁的瓶子，而形狀改變正是受到力量作用的效應之一

這次瓶身外觀的變化其實與內容物的性質無關

可是習慣把想法放在心裡沉澱的我卻開始有了科教人的警覺，是不是再等一陣子在觀察比對看看呢？果不其然，原本被隱形的力量壓扁的瓶子後來又恢復原狀了，如果按照原本的推論，大概就會產生「氧化的鐵粉會過一段時間把與之結合的氧元素再吐出來，所以瓶子即可恢復原狀」的鬼結論，幸好沒有看到影子就開槍。

瓶子形狀產生變化，是因為一種隱形的力量－大氣壓力

內外的壓力差的起因並非化學變化，而是物理變化

仔細推敲之後，發現原來當時的氣溫變化才是造成保特瓶變形的主要因素。當氣溫驟降時，連帶的使得室內物體跟環境內的空氣達到熱平衡之前把熱量向外傳遞，既然是把能量向外送出去，那就會使得物體本身的溫度下降（如果沒有相變化的話）。

溫度下降代表了分子動能減少，運動速率降低，固體所呈現出來的就是冰冷，而原本自由的氣體分子若動得緩慢，除了溫度下降以外，也會影響密閉系統的壓力。因此當天氣冷的時候，保特瓶內氣體壓力隨之下降，當然抵受不住外界的大氣壓力，所以才能看到瓶身產生變化，而這個現象正是溫度影響壓力的展現，也是氣體展現給人們看到的力量。

當然實驗要獲得正確的結論就要有對照組當作對比，所以我後來準備了一個相同的瓶子，裡面卻是裝保麗龍小球，也同樣產生相同的「扁瓶」效果，而保麗龍小球並不會跟氣體發生反應，如此一來就能知道瓶中壓力減小並不是因為氣體與固體的化學結合，而是再簡單不過的溫度影響壓力，且理想氣體方程式中也揭示著體積變化（ΔV）正比於凱式溫標的差異（ΔT）。

科學玩具－熱學－天寒地凍中的熱情溫度計

原文發表於Yahoo奇摩部落格2012年11月26日。

在寒流來的時候，人們總是把自己包得緊緊的，在沒有旺盛毛髮及厚實的皮下脂肪保暖下，利用高級的羽絨、羊毛、蠶絲等額外添加的衣物將空氣圍裹在身體週邊，利用不流動的空氣熱傳導不佳的效果，讓身體散發出去的熱量不至於太快流失，若是空氣層的保暖性佳，身體就不需要一直補充散失的能量來維持體溫的恆定。

不過，內溫動物有其保持體溫的方法，外溫動物也有相對應的方式，但是對於非生物呢？環境條件的不同在它們身上就是最忠實的改變，毫無保留地展現並趨向平衡。像是溫度改變使得大部分的物質會呈現熱脹冷縮的現象，水的表現也是如此，不過在溫度與體積的示意圖中卻只有攝氏4度以上才表現出熱脹冷縮的物理變化，而且不是正比的關係。

氣體也是相同的，而且膨脹率較固體與液體更大，因此密閉空間的體積變化甚為明顯。若是依理想氣體方程式來看，溫度變化和體積變化成正比，這裡所適用的是克氏溫標，以零下273度為基準，體積的改變（ΔV）也跟ΔT/273成正比。當寒流到來的某天進辦公室的時候，發現放在桌上的熱情溫度計有了和平常不同的現象，溫度計上半部的液體幾乎都流光了。

原本顯示用的紅色液體已不復存在，全部經由中間的連接管道流到下方的空間

原因出在氣體的壓力降低

原本的訝異轉變成寂靜的思考，因為裡面的氣壓降低是因為溫度下降所致，將熱情溫度計放在冰箱裡面不是也會這樣嗎？當把辦公室的門再度關上時，少了流動的風的吹拂，室內的溫度稍為提高之後，沒有直接將溫度計握在手中而是放在玻璃桌墊上，中央空心管裡的液體轉為緩緩上升，代表著瓶內的氣壓逐漸上升。

在沒有風的辦公室裡，液柱緩緩上升的原因是瓶內的壓力正在增加
壓力增加是因為讓流動的空氣帶走的熱量減少，溫度變化持平，甚至微微上升

這裡面的現象牽涉到兩種接觸物質，其一是流動中的空氣，其二是桌面上的玻璃，而且兩者的熱傳導率並不相同。流動的空氣帶走熱能的效果是比較好的，所以有風的時候降溫效果比較好並不足為奇。但是吹拂了一陣子，使得辦公桌上的玻璃和溫度計的玻璃都已經和環境達到了暫時的熱平衡之後，這時候再把門關起來，卻發現了平常所忽略的短暫現象。

上下瓶身的通道有兩個，除了愛心旁邊的小孔，另一個是位於中央的中空管柱

不管流下去的通道是哪個，都是因壓力變化所造成的

剛剛提到的風（因為壓力差異而流動的空氣）如果不復存在呢？這時候和溫度計接觸的就剩下「桌面上的玻璃」和「不流動的空氣」了，而和剛剛不同的現象馬上出現，而且出現的時間很短暫，所以要仔細觀察才行。因為不流動的空氣保暖性較玻璃佳，且玻璃製的厚桌墊溫度雖不容易下降卻也不容易上升，因此維持與方才差不多低溫的厚玻璃桌墊這時候相對地較上方空氣低溫，所以溫度計上方與下方溫度的細微差異就會存在，形成了氣泡向下擠壓的現象。

中央管內的氣體正逐漸向下壓迫，可見上方的溫度只比下方的溫度稍高

氣壓甚至還能勝過靜止液體的壓力

有關於熱的實驗和教具比較難以蓬勃發展，尤其是在溫度的變化與熱量的計算上，原因之一在於雖然溫度升降對於我們來說雖然是能量進出的表徵，但是熱能卻是一種難以完全掌握的能量，不論是任何形式的能量在轉換過程中都或多或少會產生無法利用的熱能，看不見摸不到，只能憑感覺來知曉它存在於這個世界，也只能努力提升不同形式間的能量轉換效率。