熱膨脹

出自 全民科學平台
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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。

       

熱脹冷縮的原因是什麼?

       

可否用水與空氣來製作溫度計呢?

       

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。

參考資料