泡泡的力學

出自 全民科學平台
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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