國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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溫差沉浮子

以溫度差異讓沉浮子自動上升下降!

※器材:塑膠滴管、量筒、燒杯、石油醚、銅線

操作過程與現象

本網站曾介紹過「沉浮子」,以緊壓與放鬆寶特瓶的方式產生壓力變化,可以控制沉浮子的下沉以及上升,以其原理而言,可稱之為「壓力差」沉浮子。

本實驗則是利用溫度的差異造成下沉與上升,因此稱之為「溫差」沉浮子,製作過程與操作現象如下:

一、製作沉浮子

1.取一塑膠滴管,將滴管的頭部剪下(如圖一)。

2.如圖二,將滴管頭部的缺口以熱熔膠封住,再纏繞一段銅線(或鋁線)。

3.以圖釘或大頭針,插入熱熔膠中鑽一個洞(如圖二紅色箭頭)。

4.如圖三,先將滴管捏扁,再插入水中放開,將水吸入滴管中。

5.反覆上一步驟,直到滴管(沉浮子)放入水中時(如圖四)剛剛好浮起來。如果滴管沉下去,就將水壓出來一些;如果浮太高,就再吸一點水。

 

二、實驗方法

1.將上述製作好的沉浮子,先壓出約二、三滴水,然後以針筒吸取石油醚約0.5毫升,注入滴管內(如圖五)。

2.將滴管放入裝了常溫水的量筒中,此時滴管應浮在水面上(註:如果滴管沉下去,表示上一步驟注入的石油醚太多,再將滴管的水壓出來一些)。然後如圖六,緩慢將冰水加入量筒中,一次只加少許冰水,當滴管呈現下沉狀態時,就停止加冰水。

3.立即將量筒(與滴管)放入裝了熱水的大燒杯中,如圖七,等待約半分鐘(視溫度差異而定),滴管(沉浮子)就會浮起來了!

4.當沉浮子開始浮起來時,在量筒上方加入一小塊冰塊(如圖八),當沉浮子浮到上面後,就會因為溫度變低而又沉下去。如此來來回回,沉了又浮、浮了又沉,相當有趣喔!目前版主的最高紀錄為沉浮十次(只加冰塊,沒有再加熱水)

 

觀看實驗影片(17.6M)

原理

無論「壓力差」或「溫差」的沉浮子,都是控制沉浮子內部的水的進與出,以改變浮力大小,達成下沉與上浮的目的。本實驗的溫度差異如圖九,量筒的上方是冰水,下方的燒杯則是熱水。當沉浮子沉到底部受到熱水加熱,滴管中低沸點的石油醚(圖十的藍色部分)產生較多蒸氣,蒸氣壓力增加而將下方的水壓出滴管,使得沉浮子的平均密度小於水,因此上浮。上浮到量筒上方之後,由於溫度較低(有冰塊),石油醚的蒸氣凝結為液體,蒸氣壓降低,因而水再被吸進滴管裡,使得沉浮子的整體密度大於水,因此下沉。如此反覆,沉浮子就會上升又下沉,直到量筒上下的溫度差異縮小到無法提供足夠的熱量變化為止。

 

叮嚀的話

1.實驗過程中量筒上方要隨時加入冰塊,請注意:(1)每次只加入一小塊冰塊,以避免太多的冷水下降後(對流現象),使得量筒底部溫度過低,沉浮子就浮不起來了。(2)加冰塊的時機,最好是沉浮子由底部開始浮上來時再加。

2.實驗一開始,沉浮子第一次要浮起來,通常需要等待一些時間(沉浮子吸收熱量需要時間),版主的經驗至少需要半分鐘。但是後續的浮與沉,只要控制得宜,就比較快了。

3.除了加入冰塊,實驗過程也可以將熱水加入燒杯中,以保持量筒底部有足夠的熱量來源。請注意熱水的溫度不要太高,以避免燙傷!

4.建議準備一隻大滴管,在加冰塊(或加熱水)過程,可以將量筒裡的水(或燒杯的水)吸出來,以維持固定的水量與高度。

5.本實驗加入的石油醚,可以改為其他低沸點的油性溶劑,例如汽油、正己烷。請留意這些有機溶劑都是易燃物,而且吸入過多對於人體也有不良影響,因此必須格外注意安全與通風。此外,乙醚也是曾經被建議使用的溶劑之一,但是由於沸點只有35℃,因此並不建議使用乙醚

6.沉浮子內只有水,不加入油性溶劑,也可以成功的浮沉,但是浮沉的速度與敏感度較差。

7.在教學上可以指導學生實驗與討論以下問題:(1)如果量筒的長度越高,對於實驗結果會有何影響?(2)石油醚可以用丙酮、酒精代替嗎?為什麼?(3)分組競賽:不可以加熱水,比賽哪一組沉浮的次數最多次?(4)比賽完成五次的沉與浮,哪一組花的時間最短?(上升或下沉一半距離,不列入計算)

參考資料

1.陳偉民(2009)。自動浮沉子。發現月刊,160期http://www.ytlee.org.tw/DiscoveryMagazineDetail.aspx?Period=160#1

2.蕭次融、余甄紘(2008a)。聽話的浮沉子。科學教育月刊,307,31-35。

3.蕭次融、余甄紘(2008b)。跳號沉浮的浮沉子。科學教育月刊,308,35-39。

4.Mackay, R. S. (1958). Automatic cartesian diver. American Journal of Phyics, 26, 403-404.