動手學科學/物質科學/2022公開課/能量轉換與能量守恆(二)

觀念說明

能量守恆

• 能量守恆定律闡明，孤立系統的總能量 E 保持不變。如果一個系統處於孤立環境，即不能有任何能量或質量從該系統輸入或輸出。

熱質說

• 熱質說是種錯誤和受局限的科學理論，曾用來解釋熱的物理現象。此理論認為熱是一種稱為「熱質」的物質，熱質是一種無質量的氣體，物體吸收熱質後溫度會升高，熱質會由溫度高的物體流到溫度低的物體，也可以穿過固體或液體的孔隙中。

熵

• 化學及熱力學中所謂熵，是一種測量在動力學方面不能做功的能量總數，也就是當總體的熵增加，其作功能力也下降，熵的量度正是能量退化的指標。

課程目標：

簡述能量單位、能量守恆、能量互換

能量守恆的歷史:

• 泰勒斯認為永恆不變的是水

• 蘇格拉底對於西方思想最重要的貢獻或許應該是他的辯證法（用一個問題回答一個問題）來提出問題，這被稱為蘇格拉底教學法或詰問法，蘇格拉底將其運用於探討如神和正義等許多重要的道德議題上。這最早的記載是出自於柏拉圖的蘇格拉底對話錄上，蘇格拉底通常被視為是西方政治哲學和倫理學或道德哲學的奠基之父，也是西方哲學的主要思想根源之一。

• 柏拉圖企圖使天文學成為數學的一個部門。他認為：「天文學和幾何學一樣，可以靠提出問題和解決問題來研究，而不去管天上的星界。」柏拉圖認為宇宙開頭是沒有區別的一片混沌。這片混沌的開闢是一個超自然的神的活動的結果。依照柏拉圖的說法，宇宙由混沌變得秩序井然，其最重要的特徵就是造物主為世界制定了一個理性方案；關於這個方案付諸實施的機械過程，則是一種想當然的自然事件。

柏拉圖的宇宙觀基本上是一種數學的宇宙觀。他設想宇宙開頭有兩種直角三角形，一種是正方形的一半，另一種是等邊三角形的一半。從這些三角形就合理地產生出四種正多面體，這就組成四種元素的微粒。

1. 火微粒是正四面體，氣微粒是正八面體
2. 水微粒是正二十面體
3. 土微粒是立方體
4. 正多面體是由正五邊形形成的十二面體，這是組成天上物質的第五種元素，叫做以太。

整個宇宙是一個圓球，因為圓球是對稱和完善的，球面上的任何一點都是一樣。宇宙也是活的，運動的，有一個靈魂充溢全部空間。宇宙的運動是一種環行運動，因為圓周運動是最完善的，不需要手或腳來推動。

• 亞里斯多德認為「沒有和物質分離的虛空」、「沒有物體裡的虛空」。世界由五大元素構成：

1. 土：又冷又乾燥，對應現代固體概念。
2. 水：又冷又潮濕，對應現代液體概念。
3. 火：又熱又乾燥，對應現代熱量概念。
4. 空氣：又熱又潮濕，對應現代氣體概念。
5. 以太：構成天球和天體（恆星和行星）的神聖物質。

地球上的四種元素都有其自然的地方；地球是宇宙的中心，接著是水、空氣、然後是火。這些元素也會進行自然的運動，不需任何外界的動力。因此人的軀體會沉入水中、水會隨著空氣蒸發、蒸發後的水氣隨著雨降下、火可以在空氣中燃燒，這些元素有著永恆的運動循環。

活動流程

永恆的故事-動著恆動靜著恆靜

• 動作：重現伽利略的鐘擺與滾珠實驗，並讓孩子嘗試
• 發問：鐘擺的高度為何來回高度差不多，珠子在大碗中的滾動，來回高度差不多？
• 討論：將過程引導至加速度、時間變化量、速度變化量、重力
• 直線運動公式F=ma，討論到動能的定義W=FS，接著說明焦耳與卡的互換，最後闡述各種能量其實是可以互換的

擺不停-擺等的時性

• 故事：牛頓發現慣性的故事(推車)
• 動作：拿出牛頓擺，讓同學觀察牛頓擺的運作過程，1顆、2顆、3顆球的狀態
• 發問：牛頓擺的運作原理？
• 討論：在過程中，延伸伽利略的實驗，討論兩者間的相同之處(位能與動能的互換)

燃燒的要素-

• 故事：從燃素說講到拉瓦節鐘罩實驗破解，導出質量守恆
• 發問：拉瓦節的鐘罩實驗，所導出的質量守恆，對世界有何貢獻
• 動作：製作電解水實驗，並讓氫氣爆炸
• 討論：利用電解水的氫氣與氧氣，來將質量守恆與物質不滅訴說清楚後，再討論那燃燒的熱從何而來

燃燒的機器-

• 故事：講述瓦特發明外燃機的過程，與外燃機的功能(熱能轉換成機械能)
• 動作：接著拿出內燃機的模型，講解內燃機的構造與兩者的差別
• 討論：利用此故事，講到熱能也轉換成動能

鐵條發熱-

• 故事：從熱質說(熱不會增加也不會減少)的出現講到焦耳實驗(機械能轉換成熱能)
• 動作：故事後，請同學實驗用鐵鎚敲打，在敲打數下後，觸摸鐵條
• 發問：為何敲打會造成發熱，並詢問何時會用到此動作
• 討論：說明鐵條為何發熱，討論焦耳實驗對世界的影響，並帶入動能轉換成熱能的現象，並帶入能量的計算與單位的表示，接著完整說明能量守恆的內容

爬不出的水-

• 故事：世紀永動機的詐騙
• 動作：使用數張衛生紙與數個杯子，設計毛細現象永動機的概念
• 討論：說明此永動機不可能成功，毛細現象無法將水帶到高處容器中，接著帶入熵與亂度的概念

轉不停的葉片-

• 故事：世紀永動機的詐騙2
• 動作：使用磁鐵，冷次定律，所製作的永動機
• 討論：說明此永動機不可能成功，並更詳細且生活化的說明最大亂度的概念

一氣呵成-

• 從直線運動公式F=ma，討論到動能的定義W=FS，接著說明焦耳與卡的互換，最後闡述各種能量其實是可以互換的