泡泡的力學

原作者：謝迺岳
關鍵詞：表面張力，界面活性劑，童玩
同義詞：吹泡泡，玩泡泡
每個小孩都愛吹泡泡。玩泡泡的成本很便宜，不佔空間不污染，隨時可以配製或買到，剩餘的泡泡水還可以用來清潔，真是完美的玩具。泡泡只需吹口氣就能變出來、可在空氣中飄浮、漂亮的球形與繽紛的色彩、不一會兒就會破，種種現象都很有趣，個個都是值得探索的科學題材。

探究問題

泡泡水是什麼成分？為什麼吹氣會形成泡泡膜？為什麼吹出來的泡泡總是球狀？大的和小的泡泡球中的氣壓有何不同？除了遊戲與清潔之用，吹泡泡的原理在生活中還有那些應用？

實作項目

1. 材料
   泡泡水，各式吸管，尺，細鐡線，各式塑膠杯
2. 製作
   購買泡泡水；或參考網路配方，將洗碗精、甘油與水攪拌均勻後，隔夜再使用。
3. 操作
   先用吸管在空中緩緩吹泡泡，然後在濕的桌面玩。
   1. 猜測：利用手邊的工具來吹泡泡，那一種器材能在空中吹出最大的泡泡？先猜想再操作。
   2. 猜測：桌上有一大一小兩個相連的泡泡，其中那一個泡泡內的氣壓較大？先猜想再操作。
   3. 猜測：將細吸管剪成許多小段，用線鐡線穿過吸管來組合成各種多面體。將多面體沈入泡泡水中再拉起來，會形成幾面泡泡膜？先猜想再操作。
      

結果與討論

由於水分子的內聚力造成表面張力，使得水與泡泡在無邊界時會形成球形。又因為泡泡水的表面張力比純水小，使泡泡容易膨脹，吹氣時能夠變得很大。

1. 結果：利用吸管能吹出小泡泡，用塑膠杯卻能吹出大泡泡。是因為大的杯口的周長很長，能吸附較多的泡泡水，且具有較大的拉力能夠懸吊泡泡。
2. 結果：小泡泡內的氣壓較大，由兩個泡泡間的曲面彎曲程度即看的出來。泡泡內外的氣壓差與表面張力的關係如附圖，並可導出兩個泡泡間的泡泡膜曲率半徑為。（r是小泡泡的半徑，r’是大泡泡的半徑）
3. 結果：正四面體有6個泡泡膜。正六面體有13個泡泡膜。原因是表面張力會使表面積縮小，而多面體的稜線提供了支撐柱，每個稜線產生了一個膜；在表面積儘量縮小的情況下，正六面體還會多形成一個膜。
   

教學目標

各個年齡層及教育程度均適用，調整深度即可。

1. 知識上：認識泡泡膜的力學性質，以及表面張力與大氣壓力的關係。
2. 技能上：能製做多面體造型，製造大泡泡的方法，計算泡泡膜的曲率。
3. 情意上：開啟新視野，發現平凡的泡泡還能做科學探究與藝術創新。

應用

1. 在科學上：表面張力、大氣壓力與多面體的性質等教學。
2. 在科技上：滅火、提純、界面活性、薄膜性質等。
3. 在藝術上：最大的泡泡、多層次泡泡、瓶中的泡泡與多面體泡泡等。
4. 進階活動：比賽在桌面上合作，製作最大的泡泡與多層次泡泡。

參考資料

學習單-泡泡的力學