教學錦囊

彈指滅火─從科普活動到科學探究

高雄市陽明國中自然與生活科技領域 謝甫宜老師

武俠小說中的楚留香最厲害的絕活就是「彈指神功」,他將內力灌注在手指間的小石頭或彈珠, 隔空彈射而打敗敵手。利用物理概念所設計的「空氣砲」類似「彈指神功」,可彈熄燃燒中的燭火,抑或吹動輕質物品,屬於一項饒富趣味性且相對安全的科普活動。

透過學生準備紙杯、塑膠杯或寶特瓶,甚至是大塑膠桶、裝光碟片的布丁盒等具有大容量的各類容器,即可輕易地製作不同形態的簡易「空氣砲」。「空氣砲」能在瞬間將燃燒的燭火熄滅,不僅取材簡便、製作容易、又兼顧趣味與環保。每位學生製作屬於自己不同風格的「空氣砲」,也符合時下最流行的創客(Maker)理念。但是,在課堂上或寒暑假科學營隊進行這項「彈指滅火」活動的教師,常有以下三項困擾:

一、以14 號大氣球不易套住材質較軟的寶特瓶,使得寶特瓶底部凹陷而影響滅火成效,氣球也容易隨時間而失去彈性或破裂。

二、每次彈射「空氣砲」熄滅燭火後,須再以打火機點燃蠟燭,學生更常見獵心喜地拼命彈射「空氣砲」滅火,造成教師疲於點火而緩不濟急。許多打火機也常在實驗結束後,因使用過於頻繁而報銷。

三、學生操作「空氣砲」時經常失準而演變成「亂槍打鳥」,以至於打不到燭火。

根據上述進行「彈指滅火」活動時可能產生的困擾,我們可歸納成以下三項值得提供學生思考,與培養學生問題解決能力的科學探究問題:

一、如何改變實作素材讓「空氣砲」更堅固耐用呢?

二、如何快速點燃蠟燭以提升活動進行的效率呢?

三、如何提高「空氣砲」精準度增進滅火效能呢?

筆者以多年科普實作經驗與上述改良「空氣砲」可延伸探討的三項問題,設計以下進階版本的「空氣砲」實作活動,提供讀者參考。

圖2

實作材料與實驗步驟

圖3

實驗步驟

科學原理

「空氣砲」吹滅燭火屬於「牛頓第二運動定律」與「風壓」的運用。就牛頓第二運動定律而言,寶特瓶內的空氣分子受到作用力而加速,當這些空氣分子衝出面積較狹窄的瓶口時,空氣分子也因此變得更密集與更急促,進而造成風壓變大來吹滅燭火。

「風壓」是指水平風速對於單位面積所產生的壓力,當風速每秒20公尺時,每平方公尺的面積上,受有50公斤壓力。當我們施力越大,寶特瓶內空氣分子的加速度也越大,此時,許多正在燃燒的可燃物(蠟蒸氣)與助燃物(主要為氧氣)將被空氣分子瞬間吹走而滅火使燭火熄滅。

必須留意的是: 「聲波只傳遞能量,不傳遞介質」。因此,空氣砲並非藉由拍打塑膠膜產生聲波使燭火熄滅,這是容易產生迷思概念之處。此外,當燭火被熄滅瞬間會產生一些白煙,這些白煙主要是一些未燃燒的碳化合物或可燃的碳顆粒。當燭火熄滅時,立即在白煙上方點火,將會使得部分的白煙向下延燒,便有可能再度讓蠟燭達到燃點而復燃。

再者,空氣砲的出風口越大,「空氣砲」能滅火的範圍也越大,但是,根據壓力=作用力÷接觸面積( 即P=F/A)而言,在相對較大面積的瓶口所產生的「風壓」也隨之遞減,亦即單位面積的風力也變小。所以,當我們採用裝光碟片的布丁盒或塑膠桶製作空氣砲時,以挖洞方式製作的出風口不宜過大或過小。

空氣砲問題 解決策略

改變實作素材讓「空氣砲」堅固耐用

我們採用強韌的聚乙烯(俗稱P.E.)或聚氯乙烯(俗稱為P.V.C)材質的透明膠布取代氣球,即因氣球常在室溫較高時便會隨之軟化或脆化,尤其氣球套在寶特瓶底部時,氣球也很容易隨時間彈性疲乏而失去彈性。

再者,這類韌性很強又不易脆化的透明膠布,也能承受的作用力比氣球更大。因為當學生用力拍打或彈射燭火時,透明膠布面積大,使得作用力較可分散到整個透明膠布上,不像採用拉氣球來彈射燭火時,通常氣球的同一部位在不斷伸縮下容易彈性疲乏而受損與毀壞。所以,採用多層透明膠布黏貼在寶特瓶或任何容器底部,具有價格低廉、取材更加簡便且堅固耐用等優點。

自動點燃蠟燭以提升活動進行的效率

魔術蠟燭可以不斷地復燃,讓我們省去在燭火熄滅後必須一再點燃蠟燭的問題,可以盡情彈射燭火。因為這種魔術蠟燭或稱為吹不熄蠟燭,含有對氧活性很大的「鎂」金屬成分。相較於魔術蠟燭,一般蠟燭被吹熄之後,就必須點燃蠟燭才能再彈射燭火,不僅耗費時間也減短打火機使用的壽命。市售的魔術蠟燭在一般魔術店或較大型的文具行可以購買,也能自行製作。魔術蠟燭製作時,將燭芯取出以便沾上鎂粉,或者將固態蠟燭加熱熔化成蠟油,再注入沾有鎂粉的燭芯,待蠟油冷卻而製作成魔術蠟燭。

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提高「空氣砲」的精準度增進滅火效能

因為彈射或拍打寶特瓶時,寶特瓶內空氣分子衝出瓶口瞬間,常因學生拍打過於用力而造成瓶身歪斜,無法對準燭火而滅火。在寶特瓶前緣黏貼準心配合調整位置,可增加滅火的精準度。當準心與眼睛達成一直線再對準燭火便較容易滅火,在學生滅火成功率大幅提升下,亦可體會問題解決策略的重要性。

圖5

圖6

空氣砲的進階玩法

我們可手持點燃的線香,放入倒置的空氣砲中薰熄;或用煙霧產生器產生白煙灌入空氣砲中;或直接將乾冰和溫水放入空氣砲瓶內等各種方式,以便讓空氣砲瓶身充滿白煙。當我們輕拍或輕彈膠布時,就可見到煙圈從空氣砲中射出,煙圈觸及燭火時,燭火即可熄滅。上述方式說明空氣分子或煙霧將燭火熄滅,而非聲波吹熄蠟燭。假設用力彈射能產生較強氣流,卻無法順利熄滅燭火,極有可能是「準心」沒能對準燭火。此時,應重新黏貼準心以調整位置,直到燭火、準心與眼睛連成一直線、較容易滅火為止。

謝甫宜老師的科學主張

科普活動帶給學生愉悅的學習經驗與提升學習動機,科學探究則培養學生解決問題的能力與高層次的認知發展。

通常,學生透過初步的「空氣砲」實作與練習之後,就會發現前述三項待解決的問題,教師可藉此引導將趣味的科普活動,轉換成科學探究的學習,不僅提供學生創意思考、解決問題的學習機會之外,學生也在問題解決的歷程中,獲得新的理解與概念運用。

<本文摘自 康軒【自然通訊No.39】>