18. 靜電動力球

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※實作現象

將保麗龍球放進透明塑膠管內,兩端黏上包覆鋁箔的紙板,手持塑膠管一端,如圖1。以靜電棒接觸另一端,打開靜電棒開關後,保麗龍球就會快速的來回運動!如圖2。

 

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原理:

參閱圖3,說明如下:

1.一開始包了鋁箔紙的保麗龍球,表面的正負電荷平均分散,如圖3(1)。

2.當靜電棒接觸塑膠管的右邊,如圖3(2),由於靜電棒充滿負電荷,靜電感應使得保麗龍球的正負電荷分離,正電荷集中到右邊,負電荷集中到左邊。由於正負電荷互相吸引,保麗龍球就會往靜電棒的方向運動。

3.保麗龍球接觸靜電棒之後,靜電棒持續產生的負電荷,中和了保麗龍球的正電荷,如圖3(3),使得保麗龍球帶負電荷,因此和同樣帶負電荷的靜電棒排斥,往左邊運動。

4.當保麗龍球往左邊運動,接觸塑膠管左邊的鋁箔紙,負電荷會傳導至地面而流失(因為左邊用手拿著),如圖3(4)。

5.保麗龍球的負電荷流失之後,再經靜電棒的負電荷感應,如圖3(5),保麗龍球的正電荷集中到右邊,又會往靜電棒的方向運動。

6.步驟3~5反覆進行,就形成保麗龍球左右來回運動的有趣現象。而整個過程,保麗龍球的角色是將靜電棒的負電荷,攜帶至塑膠管左邊而流失。

 

探究問題

本實作可進行的探究問題,建議如下:

(一)、探究問題1:保麗龍球包覆鋁箔的方式不同,保麗龍球的運動頻率有何差別?

假說:保麗龍球包覆鋁箔面積越大,則運動頻率越高。

理由:鋁箔幫助導電,包覆越密則導電性愈好。

(二)、探究問題2:塑膠管二側包覆的材料不同,保麗龍球的運動頻率有何差別?

假說:塑膠管二側包覆的材料改為銅箔,則運動頻率會比鋁箔更高。

理由:銅的導電性比鋁高,使電荷移動越快,因此運動頻率較高。

(三)、探究問題3:保麗龍球的大小不同,保麗龍球的運動頻率有何差別?

假說:保麗龍球越小顆,則運動頻率越高。

理由:保麗龍球愈小顆,重量越輕且空氣阻力越小,因此運動頻率較高。

實驗設計

器材:鋁箔紙、透明塑膠管、鋸子、靜電棒(含電池)、保麗龍球、鋁箔膠帶、銅箔膠帶、厚紙板、剪刀、手機(有錄影與計時功能)

操作步驟

1.以手鋸將透明塑膠管(直徑2cm)鋸成合適長度(建議6cm)(如圖4)。

2.用鋁箔將保麗龍球(直徑1.5cm)包覆(如圖5)。

 

3.將紙箱剪成2 x 2 cm方形,再以鋁箔膠帶包覆(凸出一小段膠帶以方便黏於塑膠管)(如圖6)。(如果沒有鋁箔膠帶可用鋁箔紙代替,再以膠帶固定於塑膠管上)

4.保麗龍球放進塑膠管內,兩端黏上包覆鋁箔的紙板。一端手持,另一端接觸靜電棒。(如圖7)。

 

5.打開靜電棒開關後,保麗龍球就會快速的來回運動。

注意事項:

1.手持塑膠管,必須懸空不能放置桌面,否則靜電會被帶走,保麗龍球不易來回移動。

2.手指盡量只捏住塑膠管的邊緣,不要接觸塑膠管中央,否則保麗龍球遇到手指接觸的地方會停住。

3.保麗龍球運動頻率高,肉眼不易觀察記錄,可錄製影片再用播放軟體慢速播放觀察記錄。(錄影片時可放一碼錶於塑膠管旁,方便讀取時間)

4.剛開啟靜電棒時,保麗龍球的運動會較慢,建議15秒後達到穩定時再紀錄。

5.長期使用的靜電棒,產生靜電的效率會降低,對實驗造成影響。

實驗結果:

以下三個探究問題的共同控制變因為:塑膠管長6cm、管徑2cm。

(一)、探究問題1:保麗龍球包覆鋁箔的方式不同,保麗龍球的運動頻率有何差別?

操縱變因:保麗龍球包覆鋁箔的方式(一字形、十字形、全包)

應變變因:保麗龍球的運動頻率

控制變因:塑膠管二側包鋁箔、保麗龍球直徑1.5cm

 

從鋁箔的「包覆面積」而言,全包 > 十字形 > 一字形,但是由表1-1的實驗結果發現,保麗龍球運動頻率為:十字形71次)> 全包60次)> 一字形26次)。顯示包覆面積不是影響保麗龍球運動頻率的唯一因素,也包括了保麗龍球的整體重量,越重則越不利於運動頻率。因此推論「一字形」由於包覆面積最小,導電效能最差,運動頻率最低。而「全包」的導電性雖然為最佳,但是質量比「十字形」高了0.046克,因此運動頻率比「十字形」低。結論實驗驗結果,研究假說「保麗龍球包覆鋁箔面積越大,則運動頻率較高」無法成立,「重量」可能是重要的影響因素。

為了進一步確認「重量」的影響,將保麗龍球全包包覆「銅箔」,並比較「鋁箔」的差異。實驗結果如表1-2。理論上,由於銅的導電性高於鋁,因此運動頻率應該越高,但是實驗結發現:鋁箔的運動頻率(60次)高於銅箔(47次)。保麗龍球包覆銅箔的重量是0.249克重,鋁箔是0.122克重,顯示重量因素對於運動頻率的影響不能被忽略。

 

(二)、探究問題2:塑膠管二側包覆的材料不同,保麗龍球的運動頻率有何差別?

操縱變因:塑膠管二側包覆的材料(銅箔、鋁箔)

應變變因:保麗龍球的運動頻率

控制變因:保麗龍球包覆方式(全包)保麗龍球直徑1.5cm

 

由實驗結果發現,保麗龍球運動頻率:塑膠管的兩側包覆銅箔75次)> 兩側包覆鋁箔60次)。導電性越好,保麗龍球運動頻率越高。因此我們應接受「塑膠管二側包覆的材料改為銅箔,運動頻率比鋁箔更高」的假說。

(三)、探究問題3:保麗龍球的大小不同,保麗龍球的運動頻率有何差別?

操縱變因:保麗龍球的大小(直徑1.0、1.5cm)

應變變因:保麗龍球的運動頻率

控制變因:保麗龍球包覆鋁箔方式(全包)、塑膠管二側包覆鋁箔

 

由實驗結果發現,保麗龍球運動頻率:直徑1.0cm89次)> 直徑1.5cm60次)。顯示保麗龍球越小重量越輕,保麗龍球運動頻率越高。因此研究假說「保麗龍球越小顆,運動頻率越高」的說法成立。

參考資料

1.許良榮(2018)。靜電動力球。玩出創意5:50個魔法科學實作(166-169頁)。台北:五南圖書公司。

2. YouTube影片. Awesome science tricks using static electricity! https://www.youtube.com/watch?v=ViZNgU-Yt-Y

3. YouTube影片. How to make static electricity remover or detector- SIMP TEAM. https://www.youtube.com/watch?v=h4We9emqep0&feature=youtu.be