7.白板筆的奧秘

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※實作現象

用白板筆在玻璃上畫出圖形，如圖1的人形，然後用滴管將水滴在畫好的圖形上。結果可以看到白板筆的人形筆跡竟然浮起來，好像在游泳一樣喔！如圖2。

 

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※原理：

白板筆的主要成分，包含了不溶於水的樹脂、色素、易揮發溶劑（酒精、異丙醇）以及脫模劑（release agent）等。其中脫模劑類似保護膜，可以避免樹脂與板子之間過於緊密結合，以便於白板筆的筆跡被擦掉。當白板筆書寫在板子上，溶劑揮發之後，殘留薄薄一層的樹脂。加了水之後，只要盤子與水之間的吸引力夠大，水分子就可以充分的滲透到樹脂（筆跡）與盤子之間，使得樹脂脫離盤子表面。而樹脂的密度比水小，因此樹脂就浮起來了。

由上述可知「盤子與水之間的吸引力」大小，是影響白板筆筆跡能否浮起來的重要因素，那如何判斷「盤子與水之間的吸引力」大小呢？一個簡單的方法是：以滴管在盤子上滴一滴水（輕輕的滴），觀察水滴在盤子上凸起來的程度。例如圖3，玻璃上面的水滴比較平，而塑膠表面的水滴比較凸。顯示水與玻璃表面的吸引力比較大，所以水滴成為扁平狀，筆跡就會浮起來。而塑膠上的水滴是凸起狀，水與塑膠表面的吸引力比較小，筆跡就不會浮起來！

 
※探究問題

白板筆筆跡不是在任何條件或狀況都可以浮起來，有哪些變因會影響白板筆筆跡浮起來呢？本實作進行的探究問題，建議如下：

（一）、探究問題1：白板筆畫在不同的材質，筆跡能否浮起來有何差異？

假說：加水後，不同材質上面的白板筆筆跡能否浮起來的現象會不一樣。

理由：不同材質表面和水的作用力有差別，因此筆跡能否浮起來的現象也會不同。

（二）、探究問題2：不同廠牌的白板筆，筆跡能否浮起來有何差異？

假說：不同廠牌的白板筆，筆跡能否浮起的現象會不一樣。

理由：不同廠牌的白板筆成分不會完全一樣，因此筆跡浮起來的現象也會不同。

（三）、探究問題3：不同溫度的水，是否會影響筆跡浮起來？

假說：水的溫度越高，筆跡越容易浮起來。

理由：水溫越高，反應速率就越快，白板筆筆跡越容易浮起來。

（四）、探究問題4：不同酸鹼性的水溶液，是否會影響筆跡浮起來？

假說：水溶液的酸鹼性不同，會使筆跡浮起來的現象不同。

理由：不同酸鹼性水溶液，會和筆跡產生交互作用，因此筆跡浮起來的現象會不一樣。

※實驗設計

器材：白板筆、滴管、瓷盤、玻璃片、小膠帶捲或螺絲墊片（畫圈圈用）。

基本操作步驟

1.首先選取有中空圈圈的小膠帶捲（或螺絲墊片），中空的圈圈直徑2.5公分。以便做為白板筆畫圈圈使用，如圖4。（註：實驗過程中白板筆畫的圈圈大小要控制一樣大小）

2.將玻璃的表面確實洗淨並擦乾，以上述小膠帶捲為畫圈圈工具，用白板筆在玻璃上畫出一個圈圈（如圖4）。每次實驗時畫的圈圈，都控制只畫一圈，使筆跡的墨水厚度一致。

3.以滴管將水垂直的滴在圓圈狀筆跡的正中央（注意：桌面要保持水平），每次實驗滴五滴水，避免水溢出筆跡的圓圈（如圖5）。注意：滴五滴水是本實驗經過試驗的結果，因為要控制每次實驗「水的量充滿於圈圈內，但是不可以溢出圈圈外」。如果畫的圈圈比較小，可能只需要四滴水，因此可依畫出的圈圈大小自行調整（請注意調整之後，所有實驗的水滴量就要全部一致）。

4.觀察並紀錄白板筆筆跡是否浮起的現象。

 
※實驗結果：

以下四個探究問題，實驗時的相同條件（相同控制變因）如下：畫的圈圈大小（直徑2.5公分）、筆跡畫一圈、滴水的量5滴。

（一）、探究問題1：白板筆畫在不同的材質，筆跡能否浮起來有何差異？

操縱變因：底板材質

應變變因：筆跡是否漂浮

控制變因：白板筆（雄獅203白板筆，黑色）、室溫（約25℃）

 

實驗結果發現，白板筆畫於「玻璃」上，只要水接觸到筆跡，就會立即使筆跡浮起。如果畫於「塑膠」板上，水接觸到筆跡時，筆跡並沒有變化，而且要將筆跡移除時，不僅擦不掉也很不容易洗掉。因此研究假說「加水後，不同材質上面的白板筆筆跡能否浮起來的現象會不一樣」可以成立。

（二）、探究問題2：不同廠牌的白板筆，筆跡能否浮起來有何差異？

操縱變因：白板筆的廠牌（雄獅、櫻花、成功）

應變變因：筆跡是否漂浮

控制變因：底板材質（玻璃）、筆的顏色（黑色）、室溫（約25℃）

 

由表2的實驗結果發現，「雄獅」與「成功」牌的筆跡都能浮起來，而「櫻花」牌都無法浮起來。因此研究假說「不同廠牌的白板筆，筆跡能否浮起的現象會不一樣」可以成立。

進一步分析實驗結果，如圖6，「雄獅」牌的筆跡浮起來後，筆跡會維持原本的圓圈狀。「櫻花」牌的筆跡無法浮起來，可觀察到水會被困在筆跡內，水無法滲入筆跡。「成功」牌的筆跡也都能浮起，但筆跡浮起來後沒有保持圓圈狀，而成為凹陷的愛心形，如圖7。仔細觀察筆跡浮起來的過程，圖7的凹陷處是最先浮起來的部分，圓弧狀的則是較晚浮起來的部分。

推測最先浮起來的部分容易成為凹陷狀，原因可能是由於「水的表面張力」所造成。因為表面張力是水分子互相聚集的現象，當部分的筆跡浮起來，飄浮的筆跡隨著水分子互相吸引而一起內縮，造成筆跡往內圈收縮的現象。但是如果滴的水水量過多，水會往筆跡外圈溢流，就不會形成筆跡內縮的現象。

 

（三）、探究問題3：不同溫度的水，是否會影響筆跡浮起來？

操縱變因：水的溫度（10℃、25℃、50℃、70℃）

應變變因：筆跡是否漂浮

控制變因：白板筆（雄獅203白板筆，黑色）、底板材質（玻璃）

 

由實驗結果發現，水溫為25℃（室溫）時，白板筆筆跡在五次實驗中都能浮起來。而其他不同溫度的水，筆跡也大多會浮起來，但是五次實驗中分別出現「部分浮起」的現象。而部分浮起來的筆跡如同圖7，大多會有凹陷情形；而筆跡未浮起的部分，則黏附在玻璃上。因此研究假說「水的溫度越高，筆跡越容易浮起來」的說法不能成立。

另一方面，仔細觀察實驗過程，可發現水溫越高，筆跡浮起來的速度似乎有越慢的傾向，例如水溫74℃時，筆跡浮起的速度較慢；水溫10℃時，筆跡浮起的速度則較快。但是由於浮起來的速度不容易精確測量，本實驗沒有進一步的探究，這是未來可以再深入探索的問題。

（四）、探究問題4：不同酸鹼性的水溶液，是否會影響筆跡浮起來？

操縱變因：不同酸鹼性的水溶液（食用醋、自來水、小蘇打水）

應變變因：筆跡是否漂浮

控制變因：白板筆（雄獅203白板筆，黑色）、底板材質（玻璃）、室溫（約25℃）

 

由實驗結果發現，「食用醋」與「自來水」都能讓白板筆筆跡完整浮起，而弱鹼性的「小蘇打水」則略有差異，五次實驗中有三次筆跡完全的浮起來，有二次只有部分筆跡浮起來。因此研究假說「水溶液的酸鹼性不同，會使筆跡浮起來的現象不同」的說法不是完全成立。另一方面，由實驗過程觀察到，小蘇打水溶液的筆跡浮起來的速度相對較慢，而且部分浮起的部分並沒有像圖7那樣產生凹陷狀，這又是未來值得深入探究的問題之一。  
※參考資料

1. 許良榮（2018）。白板筆的奧秘。玩出創意5：50個魔法科學實作（134-137頁）。台北：五南圖書公司。

2.國家地理雜誌中文網。白板筆加水，就能讓火柴人動起來！http://www.natgeomedia.com/news/editorpick/56665

3.Mental Floss. What's in Dry-Erase markers?http://mentalfloss.com/article/89201/whats-dry-erase-markers

4.Sciencing. Chemicals in Dry-Erase markers. https://sciencing.com/list-6040398-chemicals-dry-erase-markers.html

5.YouTube影片：(1) Floating stick man explained. https://www.youtube.com/watch?v=Dm0IcLGQ2HA

(2) Drawing on water sequel: Remote controlled drawings. https://www.youtube.com/watch?v=MIKBW3Lk4Jo