小水滴之旅－探討「無重力現象」.docVIP

摘要 NHK介紹水滴在太空梭內形成球體漂浮在半空中的無重力現象影片，帶給我不小的震撼。因為在日常生活中從未見識過此景。所以我們幾位同學試著藉由一些科學實驗，去觀察了解液體力平衡的原理、「油面下的無重力」現象，實驗的結果發現，在麻油中呈現無重力狀態的酒精水溶液濃度在5.0：3.7~3.8之間。更重要的是我們還進一步地發展出許多好玩的「無重力」遊戲呢！ 壹、研究動機： 在五上「力與運動」的課程中，介紹了重力：因地球上有地心引力，物體才會往下落。但老師卻播放NHK的無重力影片讓我們比較「重力與無重力」的不同。水滴在太空梭內會形成球體漂浮在半空中，是因為地心引力和太空梭繞軌道運行所產生的離心力相互抵消了，所以太空梭內呈現無重力狀態。食用油內漂浮的水和酒精混合液，其道理和太空梭內漂浮的水滴一樣：水和酒精混合液有重力拉它往下，而周圍油的浮力讓它向上浮起，然後二力彼此相互抵消。所以水和酒精混合液就在無重力狀態下漂浮。水和酒精混合液的比例要多少？要多少食用油？每一種油都可以嗎？還有…？為了要找到答案，我約了幾位「好奇寶寶」共同研究。 貳、研究目的： 一、說明無重力的現象及力平衡的原理 二、探討水和酒精混合液的不同比例組合在麻油中呈現無重力狀態之情形？ 三、探討相同濃度酒精水溶液在不同油類中呈現無重力狀態之情形？ 四、探討相同濃度酒精水溶液在不同體積的麻油中呈現無重力狀態之情形？ 五、相同濃度酒精水溶液，注射到相同體積麻油中的不同深度，呈現無重力狀態之探討？ 六、探討其它溶液在麻油中呈現無重力狀態之情形？ 七、運用力平衡原理製作有趣的科學遊戲 叁、研究器材與設備： 一、用具：25ml、5ml及2.5ml針筒數支、注射針、試管、試管架、液體玻璃藥罐、比 重計、量筒、滴管、尺、點滴注射針及軟管 二、材料：酒精、RO逆滲透水、沙拉油、花生油、葵花油、麻油 肆、研究過程與方法： 一、實驗說明： （一）因酒精在空氣中揮發的速度很快。酒精只要一揮發，則調配好的酒精水混合液 濃度隨即就會改變（如下表），密度也會跟著改變，所以在油中的無重力實驗誤 差值非常地大。為了控制酒精在空氣中揮發的變數，一定要讓實驗盡量在密閉 狀態下進行。所以我們所設計的實驗方法是「利用針筒和藥罐」。 量測酒精濃度時間 上午11:07 上午12:07 下午13:07 下午14:07 下午15:40 比重 0.9400 0.9405 0.9410 0.9410 0.9410 （二）為了讓誤差減到最低程度，我們的夥伴決定用RO逆滲透水，以避免自來水中 不一樣的雜質，影響了實驗的準確度。 二、實驗方法操作說明： （一）先將有瓶塞的藥罐洗淨晾乾，再將新拆封的酒精及RO逆滲透水分別倒入兩個 藥罐內，蓋瓶塞、貼膠帶。取來有刻度的「含針」針筒，先將注射針插入裝有酒 精的藥罐內，抽取所需容積量的酒精；接著再將注射針插入裝有RO逆滲透水的 藥罐內，抽取所需容積量的RO水。讓酒精和水兩種混合溶液靜置5分鐘後，再 將注射針插入「裝有油的試管」之油面下，射入酒精水混合液一滴，然後觀察酒 精水混合液在油面下的情形。 （二）為了避免酒精由注射針的小孔揮發，讓實驗更加精準，我們在操作過程中，先 抽取所需酒精容積量，再抽取所需RO水的容積量。 三、實驗校正： 為了方便觀察及節省實驗材料「油」，我們選擇試管來進行實驗，但試管的規格 不一，會影響實驗的準確度，所以我們對試管進行校正。我們先將實驗室裡的試管 一一排列在試管架上，取來一量筒，每次量15ml的水，裝入每一個試管中，如果高 度一樣的試管，即表示試管的規格一樣。 研究一、說明無重力的現象及液體力平衡的原理 太空中的無重力現象 為何液體在無重力狀態下會形成球體？ 說明（一）：無重力的現象 液體分子彼此間具有吸引力。液體中的分子因為受到來自四面八方的吸引力，因此互相抵消而保持平衡。但是液面分子只受到向下的吸引力，而沒有向上的吸引力，因此，液面分子隨時受到一個向下的拉力，彷彿要將它們拉進液體中一樣，這個力就叫做『表面張力』。就是因為這股拉力，所以液體表面會收縮到最小的面積。在自然界中，相同體積的物體中，以球形的表面積最小，這也就是為何水滴在無重力狀態下成為飄浮的球體的緣故。 說明（二）：液體力平衡的原理 「若物質的密度小於水，則同體積物質比水輕，因此物質會