熱膨脹

原作者：謝迺岳
關鍵詞：熱膨脹，定壓氣體溫度計
同義詞：溫度計

大多數物體受熱膨脹、遇冷收縮；而且膨脹率還會隨著溫度改變。在常溫範圍內，酒精和水銀的熱膨脹率變化很小，而玻璃的膨脹係數較大，因此我們常把酒精和水銀充入玻璃管中製成氣溫計與體溫計。

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熱脹冷縮的原因是什麼？

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可否用水與空氣來製作溫度計呢？

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在生活中有那些熱脹冷縮的奇妙現象？

探究問題

1. 熱脹冷縮的原因是什麼？
2. 製作熱膨脹式的溫度計要考慮那些因素？
3. 可否用水與空氣來製作溫度計呢？
4. 在生活中有那些熱脹冷縮的奇妙現象？

實作項目

1. 材料
   羊奶瓶，寶特瓶蓋，塑膠軟管，溫度計，肥皂水，小玻璃瓶，水晶寶寶（直徑大於玻璃瓶口），細鐡線，甲醇，鐡罐，點火槍。
   
2. 製作
   用細鐡線綁緊小玻璃瓶口，瓶內裝半瓶水備用。
   
3. 操作
   在寶特瓶蓋上鑽孔，把一條塑膠軟管插入孔內（須密合）。
   
   1. 猜測：簡易「定壓氣體溫度計」的製作方法是：用寶特瓶蓋上的塑膠軟管沾肥皂水後，把瓶蓋鎖緊在羊奶瓶上。用雙手握住羊奶瓶，使軟管中的肥皂泡上升；猜想在手離開後，肥皂泡可否回到原來位置？先猜想再實作。
   2. 猜測：簡易液體溫度計的製作方法是：在羊奶瓶中充满水，並用插有軟管的寶特瓶蓋鎖緊瓶口。在軟管上水面位置劃記號，然後把瓶子放在熱水盆中，並在水盆中插一支溫度計。在軟管中水位上升至最高點時劃第二個記號。事先猜測水位能升到多高？先猜想再實作。
   3. 猜測：在小玻璃瓶中裝半瓶水，手握鐡線在火焰上加熱小玻璃瓶。水燒開後把瓶子移開火焰，再把水晶寶寶放在瓶口，它將會被吸進瓶內。推想這是因為誰的膨脹導致這個現象？先猜想再實作。

結果與討論

實驗三在加熱小玻璃瓶時，不可先將水晶寶寶放在瓶口，因為會發生「突沸」現象，超過100℃的熱水會噴濺而出。

1. 結果：理想情況下，肥皂水應該會回到原來位置，使瓶內外的氣壓均等。事實上總有漏氣或氣體溶入水中的情況，使瓶內氣壓下降至比操作前還低，因此羊奶瓶中會出現一個泡泡。
2. 結果：純水在20℃時的線膨脹係數α=2x10-4/℃，因此在羊奶瓶中200cc的水升溫50℃會膨脹約2cc，若選用的塑膠軟管管徑夠細，就有可視的長度變化。在室溫時與最高溫時分別在管上用馬克筆劃記水位，就能內插出各種溫度而能做出簡易溫度計。
3. 結果：在瓶中裝半瓶水的目的，是使瓶子不會燒破。在溫度上升時，空氣的膨脹率最大，而玻璃的膨脹率最小；因此水晶寶寶放在由熱變冷的瓶口時，由於瓶內氣壓變小，因此水晶寶寶被大氣壓入瓶中。

教學目標

各年齡層都可玩遊戲，國中以上程度可討論原理。

1. 知識上：熱脹冷縮的現象與原因，熱膨脹係數與物態，熱膨脹係數與溫度。
2. 技能上：製作氣體溫度計，製作液體溫度計。
3. 情意上：關注地球溫室現象，喜歡科學實驗。

應用

1. 在科學上：熱膨脹的現象與實驗操作，原理討論。
2. 在科技上：利用熱膨脹現象製作溫度計，控制或消除生活中的熱脹冷縮現象。
3. 在藝術上：製作愛情溫度計、伽利略溫度計，用溫度計製作城市景觀。
4. 進階活動：測量任一物質的線膨脹係數、面膨脹係數與體膨脹係數。