國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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吸管幫浦

用吸管做一個簡易抽水馬達!

器材:吸管、竹筷熱熔膠
操作步驟與現象

1.將半根吸管以熱熔膠橫著黏在竹筷上(如圖一),此橫向的吸管可以用竹籤或竹筷代替。

2.取半根吸管,傾斜約45度,如圖二,以熱熔膠固定在竹筷與橫向的吸管上,且距離竹筷底部約一公分。

★注意:(1)黏在竹筷下方的吸管,不可以超出竹筷,例如圖四是錯誤的位置。(2)斜向的吸管必須保持暢通,不能被堵塞,因此注意熱熔膠不要用太多,以免吸管口堵住。

3.另一邊依上述步驟黏上另外半根吸管,就完成了吸管幫浦的製作。(如圖三)

4.將完成的吸管幫浦放入水盆,左右轉動吸管幫浦(轉動速度不必很快),就可以看到水不斷的被抽出來喔!(如圖五)

註:圖三的V形吸管,也可以使用一隻吸管,剪一半(但是不要完全斷裂),摺成V形後直接固定在竹筷上。

觀看實驗影片(4.1M)

原理

  吸管幫浦能夠將水抽出來的原理,經常被解釋為「離心力(centrifugal force)」所造成,但是離心力並非真實存在的力,而是一種假想的力(pseudo force),可以用來方便的解釋與計算。同樣也是假想力的還有「科氏力(Coriolis force)」,可方便的解釋地球自轉與地表運動的結果。

  物體在作圓周運動時,真實存在的是「向心力(centripetal force)」,為指向圓心的力。如果沒有向心力,物體會保持慣性運動,不會轉彎(不會圓周運動)。例如月球繞地球運動,向心力是重力,如果沒有重力,月球就不會進行圓周運動。繩子綁石頭旋轉,繩子提供了向心力,繩子一斷掉,石頭就飛出去。

  如果離心力是一種假想的力,則日常生活很多例子如何解釋?例如車子轉彎時乘客會被拋出去、脫水機能將衣服脫水等等。首先,當車子轉彎時,乘客是因為保持向前運動的慣性,才會被拋出運動方向不一樣的車子。其次,脫水機能將衣服的水分脫掉,並非脫水機「產生了離心力」將水分脫掉,而是衣服隨著脫水機旋轉,水分則因為保持慣性運動,與進行圓周運動的衣服脫離了。

  因此,本玩具的吸管在旋轉時,過程如同圖六;吸管由A進行圓周運動到B時,在A點吸管內的水分子(以藍色球代表)保持慣性運動,亦即以切線方向運動(紅色箭頭)。因此運動到B點時,水分子在吸管內的位置更遠離圓心;如同上述的車子中的乘客被拋出去;脫水機中衣服的水被甩掉一樣。

  另一種簡易的玩法是:將一根吸管直接放入水中,就可以將水抽出來。如圖七;手拿吸管的尾端(很重要!),傾斜放入水桶,然後左右擺動吸管,水盆的水就會從吸管跑出來了。

觀看圖七的實驗影片(5.1M)

叮嚀的話

  在教學時,可以指導學生進行科學探究,探討以下問題:

為什麼圖四中吸管太長,伸出竹筷是錯誤的?此現象與進行圖七的操作,必須拿著吸管的尾端擺動才能成功,原理是否一樣?

二、圖二、圖三斜向吸管的傾斜角度大小,是否會影響吸管幫浦抽水的速度?而吸管的長度是否也會影響呢?

三、小吸管換成大吸管,是否也可以成功的將水吸取出來?

四、擺動(轉動)的速度是否會影響抽水的速度呢?

參考解答如下(請以滑鼠選擇以下空白,即可看到解答)

 

一、由圖六可知轉動的吸管中必須要有水,因此轉動吸管時,轉動中心的上方要有水,亦即轉動中心要在水面的下面。換言之,圖四的構造必須插入水中更深,讓水面淹過吸管的交會點(轉動中心),如果沒注意會比較容易失敗。

傾斜角度有影響,但影響不大(吸管完全直立就不行了)。而吸管長度越長,會讓水吸出來的時間增長,但是以吸管的長度而言,影響並不明顯。

大吸管也可以成功的將水吸取出來。

理論上圓周運動的速率,會影響抽水的快慢。但是如果只是要觀察水被抽出來,不必轉動很快就可以將水抽出來。