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。

課程目標：

簡述能量單位、能量守恆、能量互換

能量守恆的歷史開始

故事：

• 泰勒斯認為永恆不變的是水
• 蘇格拉第
• 柏拉圖
• 亞里斯多德

活動流程

1. 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

1. 擺不停-

• 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)

1. 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

1. 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

1. 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

1. 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

1. 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

1. 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