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蒸汽動力噴泉

文/國中自然領域退休教師、拜耳公司科學志工科教顧問、大愛電視生活裡的科學節目科學顧問、《認識科展第一本書》作者梅期光

所需材料:

長空心銅管(直徑 0.3 cm、長 30 cm)、塑膠免洗杯(500 c.c.)、塑膠基座板(10 cm × 10 cm)、鑽孔木條基座(1 cm × 1 cm × 3 cm),如圖 1 所示。

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圖 1

工具與功能(如圖 2 所示)

  1. 尖嘴鉗:可彎折噴水銅管及進水銅管兩部分在塑膠免洗杯內的適當曲度。
  2. 直徑 1 cm 圓形木條:可彎折空心銅管成噴水銅管、加熱銅管及進水銅管三部分。
  3. 熱熔膠槍:產生熱熔膠來固定塑膠免洗杯與塑膠基座板及鑽孔木條基座與塑膠免洗杯側面。
  4. 銲槍:在塑膠免洗杯側面穿孔。
  5. 錐子:在木條隔熱基座鑽孔。
  6. 酒精燈或蠟燭、打火機:提供加熱銅管加熱熱能。
未命名

圖 2

製作步驟:

  1. 用尖嘴鉗壓擠功能位置,將空心銅管兩端開口壓成圓形,如圖 3 所示。(注意事項:空心銅管兩端開口的形狀會影響水流流速,圓形對水流的阻力較小水流速較快!
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    圖 3

  2. 將 30 cm 長空心銅管以長度 1:2 的位置為基點密合纏繞在直徑 1 cm 圓形木條上,將空心銅管彎折成蒸汽動力噴泉的噴水銅管、加熱銅管及進水銅管三部分,如圖 4 所示。注意事項:(a)空心銅管彎折的方式,應保持空心銅管的管徑不變,不可彎折過度造成管徑改變,避免影響水流動的穩定!(b)空心銅管彎折完畢後,噴水銅管與進水銅管的長度比仍為 1:2,另加熱銅管的圈數固定為 2 圈,如圖 5 示。
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    圖 4

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    圖 5

  3. 將已彎折完成的噴水銅管及進水銅管放置在木條隔熱基座上,並以噴水銅管及進水銅管的間距長度為準劃記,用鑽子在木條隔熱基座劃記處鑽兩個可穿過噴水銅管及進水銅管的小孔,如圖 6 所示。
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    圖 6

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    圖 6

  4. 將已彎折完成的噴水銅管及進水銅管穿過木條隔熱基座兩小孔,完成空心銅管與隔熱木條基座組合,如圖 7 所示。
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    圖 7

  5. 用熱熔膠將塑膠免洗杯黏著固定在塑膠基座板的中央位置,如圖 8 所示。
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    圖 8

  6. 將酒精燈放置在塑膠免洗杯側面的塑膠基座板上,取下酒精燈燈罩,將空心銅管與隔熱木條基座組合放置在塑膠免洗杯側面,調整加熱銅管的位置在酒精燈燈芯上方位置,並將噴水銅管與進水銅管位置在塑膠免洗杯側面畫記,如圖 9 所示。
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    圖 9

  7. 用銲槍在塑膠免洗杯側面畫記處,鑽兩個可穿過空心銅管的小孔,再用尖嘴鉗將免洗杯內噴水銅管與進水銅管彎折制適當位置,如圖 10 所示。
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    圖 10

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    圖 10

  8. 將噴水銅管與進水銅管穿過塑膠免洗杯側面兩小孔,用熱熔膠將木條隔熱基座黏著固定在塑膠免洗杯側面,如圖 11 所示。(注意事項:木條隔熱基座與塑膠杯側面務必黏著緊密,以免漏水!)
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    圖 11

  9. 用尖嘴鉗彎折調整噴水銅管與進水銅管的彎曲度,完成蒸汽動力噴泉裝置,如圖 12 所示。注意事項:噴水管的管口「必須」在塑膠免洗杯的杯口下方位置,才能維持空心銅管呈密閉狀態,如圖示。
    未命名

    圖 12

現象觀察(1):

將水慢慢注入塑膠免杯內,觀察水緩慢進入空心銅管內,當水面高過噴水銅管管口時,會發現何種現象?

(a)當水壓力擠壓水流緩慢進入進水銅管後,水壓力會擠壓空心銅管內的空氣從噴水管噴出,水以「緩慢」方式注入塑膠免洗杯時,當水位蓋住噴水銅管管口空心銅管內少量的空氣會被完全擠壓出噴水銅管,因此噴水銅管口會產生氣泡。

(b)若水以「較快」方式注入塑膠免洗杯時,當水位蓋住噴水銅管管口空心銅管內仍有大量的空氣無法被完全擠壓出噴水銅管,因此噴水銅管口不會產生氣泡(如影片 1)。

現象觀察(2):

將酒精燈取下燈罩後放置在加熱管的下方位置,用打火機點燃酒精燈,用酒精燈燈焰加熱加熱銅管,觀察噴水銅管口會發生何種現象 (如影片 2)。

現象觀察(3):

剛開始加熱時:觀察噴水銅管噴出的水柱高度較低 (簡稱小噴發),為什麼?

剛開始加熱時,噴水銅管噴出的水柱高度較低,這是因為剛開始加熱時,水溫從加熱銅管外圍傳導至靠近加熱銅管少量的水,這些靠近加熱銅管的水溫度會上升較快達 100 °C 而產生沸騰,加熱銅管內 100 °C 水沸騰產生的水蒸氣壓力就將管內水從噴水銅管擠壓產生噴泉,如圖 13 所示。

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圖 13

現象觀察(4):

加熱一段時間:觀察噴水銅管噴出的水柱高度較高(簡稱大噴發),為什麼?

加熱一段時間後,噴水銅管噴出的水柱高度較高,這是因為加熱一段時間後,從加熱銅管外圍傳導至靠近加熱銅管少量的水,再傳導至遠離加熱銅管的水,因此遠離加熱銅管的水溫會上升,因此靠近加熱銅管處高溫的水因傳導失去的熱量較少或靠近加熱銅管吸熱沸騰的水量變多,都使因水沸騰產生的水蒸氣量變多,意即水蒸氣壓力變大,故使噴水銅管噴出的水柱高度增加,如圖 14 所示。

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圖 14

現象觀察(5):

根據蒸汽動力噴泉大小噴發現象的觀察,你能歸納出噴水銅管噴出水柱大噴發與小噴發間的關係為何?

(a)根據加熱銅管內水吸收熱量的關係,距離加熱銅管較近少量的水吸熱只能產生少量水的沸騰,這時會產生小噴發現象。而距離加熱銅管較遠大量的水吸熱就能產生大量水的沸騰,這時就會產生大噴發現象!

(b)小噴發與大噴發的發生次數或頻率以數次的小噴發及一次的大噴發的模式產生(如影片 2)。

現象觀察(6):

觀察蒸汽動力噴泉噴水銅管噴出水柱的現象,可推論塑膠免洗杯內水流的方向關係為何?

(a)根據蒸汽動力噴泉噴水銅管噴出水柱的現象,可知因加熱銅管吸收熱量使管內水氣化產生水蒸氣壓力,使加熱銅管內壓力變大而往噴水銅管及進水銅管推擠,但因進水銅管管口所受水壓力大於噴水銅管管口所受水壓力(兩管口所受大氣壓力相等!),使得加熱銅管水蒸氣壓力從阻力較小的噴水管口擠壓產生噴泉現象。

(b)當噴水銅管噴出水柱的瞬間,加熱銅管及噴水銅管內因水量變小而壓力變小,此時因進水銅管管口所受水壓力較大,塑膠杯內水壓力就將水從進水銅管口擠壓進入進水管,原來在進水銅管的水就同時被擠壓至加熱銅管及噴水銅管內。

現象觀察(7):

若以橫軸表示蒸汽動力噴泉的加熱時間、縱軸表示噴水銅管噴出水柱高度,則描述噴水水柱高度與加熱時間的關係圖應該如何表示?

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學習蒸汽動力噴泉有關科學原理

  1. 熱量對水溫度的變化:水溫度的變化(°C) 與水吸收熱量的多寡(卡)及水質量的大小(克)有關,即熱量=水質量×溫度變化
  2. 熱量對水的狀態變化:在 1 大氣壓力下,水溫達 100 °C 的水會產生沸騰現象,即水會從液態轉變成氣態的狀態變化,同時體積會從較小的液態體積轉變成較大的氣態體積。密閉容器中水的體積變化會產生密閉容器內壓力的變化。
  3. 熱的傳導方式:指高、低溫物體(即「高溫」加熱銅管與靠近加熱銅管位置「低溫」的水、靠近加熱銅管位置「高溫」的水與遠離加熱銅管位置「低溫」的水)因相互接觸而產生熱量從高溫物體傳遞至低溫物體的現象。
  4. 流體的壓力作用:不論是在開放與密閉容器內,流體流動的速率的變化與流體所受壓力的大小有關。
  5. 液體 (水) 壓力:P (公克重/平方公分-gw/cm2)=h (公分-cm)×D (公克/立方公分-gw/cm3),其中P液體 (水) 壓力大小、h液體 (水) 深度、D液體 (水) 密度。

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物理好好玩 X 物理雙月刊

物理好好玩內的文章來自於中華民國物理學會旗下科普雜誌「物理雙月刊」,透過國內物理實作專家為讀者帶來許多有趣及簡易的物理教具、玩具製作;利用隨手可得之器具及材料,來展示許多物理現象,是本專欄最大的特色。快點跟我們一起玩物理吧!