國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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空氣抽水機

如何將打氣機變成抽水機呢?

器材:打氣機、軟橡皮管(大、小各一)、量筒、寶特瓶、橡皮塞、熱熔膠
操作步驟與現象:

如果要將水抽到高處,經常需要使用昂貴的抽水馬達,而本實驗可以使用水族箱常用的便宜「打氣機」,將水抽到高處喔!

實驗一

1.將水族箱打氣機的橡皮管(圖一左側)插入另一條較大的橡皮管(圖一右側)中。

2.將橡皮管一起放入裝水的量筒底部。(注意:放越深越好)

3.打開打氣機,量筒裡的水就隨著打氣,陸續地被抽出來了!(註:水以食用色素染色,只是為了拍攝效果)

 

實驗二

本實驗裝置可以將水抽到更高的地方喔!

1.將打氣機的橡皮管插入另一條更大的橡皮管(長度至少二公尺),如圖三左側。大橡皮管要先挖洞,以便小橡皮管可以插進去。而管子銜接處的縫隙要用熱熔膠(或不溶於水的膠水)密封。

2.取一寶特瓶,將底部切除後倒立,當為裝水的容器。

3.將鑽了洞的橡皮塞塞進寶特瓶瓶口(如圖三右側),大橡皮管再塞進橡皮塞中。(注意:橡皮塞的洞不能鑽太大,以避免漏水)

4.如圖三,將大橡皮管拉高,而且寶特瓶的水位要高於二條橡皮管的銜接處(打氣機的空氣進入大橡皮管的銜接處)。

完成後,打開打氣機,試看看可以將水抽到多高呢?

觀看實驗影片(19.5M)

原理:

本實驗裝置被稱為「空氣抽水幫浦(air-lift water pump)」,原理如下:

1.水壓與深度有關,例如潛水潛得越深,感受到的水壓就越大。

水壓(p)=水的密度(d)x深度(h)x重力常數(g)。

2.圖四、圖五分別是實驗一、實驗二的示意圖;圖左的h1是水的高度(深度),圖右的h2是含有空氣氣泡的高度。

3.左側的水壓等於右側的水壓,亦即:d1 x h1 x g = d2 x h2 x g,因此d1 x h1 = d2 x h2

4.由於右側管子含有氣泡,密度較小(d2<d1),所以h1<h2

由此顯示如果打入的空氣越多,形成的氣泡越多,則密度降低的越大,h1、h2的高度差異就會越大。另一方面,如果打入空氣的量已經固定,密度沒有變化時,由於h1與h2成正比,則h1越高,h2也會越高喔!

 

叮嚀的話:

1.本實驗參考自YouTube影片(見參考資料),讀者也可以自行以「airlift pump」搜尋,可以看到很多利用於花園、水族箱的實驗影片。

2.由於h1的高度會直接影響h2的高度;因此請留意h1如果太小,h2也會很小,降低了實驗的驚奇性。

3.本實驗的操作難度不高,國小高年級也可以進行實驗,但是原理概念適合國中以上。在教學上可以指導學生討論與實驗以下問題:(1)仔細觀察圖四的抽水過程,h1逐漸降低,是否影響h2的高度?(2)討論並實驗「管子的粗細」是否會影響抽出水的高度(h2)?(3)圖五的裝置中,打氣機管子與大管子的銜接處,提高或降低,如何影響抽出水的高度?(4)打氣機有旋鈕可以調整打氣的速度,觀察與紀錄「打氣量的速度」是否會影響抽出水的高度?(5)以小組競賽方式,比賽h2最高可以達到幾公尺高度?

參考資料:

YouTube影片:

1. https://www.youtube.com/watch?v=xV8vZqHd0ao

2. https://www.youtube.com/watch?v=dKDSmzOsVpY

3.https://www.youtube.com/watch?v=4NWjUYU5PEU

4. https://www.youtube.com/watch?v=yrLRjx9KkWI

5.https://www.youtube.com/watch?v=lKtB1YKoMxk

6. https://www.youtube.com/watch?v=I1uBybsdXHQ(必看)