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翻轉手套
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力與壓力(第四冊第六章)
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壓力
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45分鐘
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林瑞文
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一、 學習壓力相關原理。
二、 利用生活用品如橡膠手套,模擬雲霧生成。
三、 以翻轉手套體驗波以耳定律(Boyle's law)。 -
橡膠手套一隻、大燒杯、小燒杯
- 時間 教學活動流程 教學資源
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5分鐘一、 生活連結與預測
1. 生活連結:橡膠手套是生活中常見的物品,在醫院或廚房中都經常看到。還有其他用途嗎?食物保存會用到抽真空,在沒有抽氣裝置時,可以用什麼方法處理呢?
2. 舊課程回顧:壓力的定義是什麼?壓力和力的單位分別是什麼?空氣和水何者容易被壓縮? -
25分鐘二、 操作與觀察
1. 實驗一:體驗波以耳定律(Boyle's Law):溫度固定時,定量氣體的壓力與體積成反比。
2. 實驗二:體驗水的帕斯卡原理(Pascal's Principle):密閉容器中的靜止流體,某一部分發生的壓力變化,可以傳遞至流體各部分之容器壁。
3. 實驗三:體驗水壓的大小與方向。 -
5分鐘三、 原理說明
1. 波以耳定律(Boyle's Law):溫度固定時,定量氣體的壓力與體積成反比。用手指按壓手套時,手套內的氣體體積變小,壓力增加(波以耳定律),而壓力的變化傳遞至氣體各處,使手套手指內縮處伸直(帕斯卡原理)。
2. 帕斯卡原理(Pascal's Principle):密閉容器中的靜止流體,某一部分發生的壓力變化,可以傳遞至流體各部分之容器壁。用手指按壓手套時,手套內的水壓力增加,傳遞至水體各處,使手套手指內縮處伸直。
3. 靜止流體的壓力沒有方向性,所以手伸入水中時能觀察到水壓是由四面八方朝向手套使其凹陷、緊貼皮膚。在手套中倒入水後,緊貼的手套立刻鬆開來,說明當內部壓力與外在壓力平衡時,手套就不會被壓凹而緊貼在手上。 -
10分鐘四、 問題與討論
1. 實驗一:
(1) 使用手套時,若有水進入手套內,使用完要如何處理,下次再戴時內部才會乾燥?
答:將手套外翻,內面向外晾乾。
(2) 手指按壓手套使內部氣體有何改變?
答:手套內部氣體因體積減少而壓力增大。
(3) 原本凹陷內縮的手套手指部份會伸直,是因為額外受到哪一種力量作用?
答:按壓增加的壓力所形成的作用力。
2. 實驗二:
(1) 為何灌水時,需注意手套內不要殘留空氣?
答:手套中若有空氣,因空氣較易被壓縮,當按壓手套時效果會較不明顯。
(2) 原本內縮的手套手指部分會伸直,是因為額外受到哪一種力量作用?其生成的原因為何?
答:手按壓手套產生的壓力藉水傳遞至手指部位所形成的作用力。
(3) 以不同方式按壓手套時,水讓凹陷的手套同一個手指伸出的力量是否相同?
答:每次水讓凹陷的手套同一個手指伸出的力量皆相同。
(4) 以不同方式(一個或二個手指)按壓手套,同樣使凹陷的手套手指伸出,所需按壓力量是否相同?
答:每次按壓所增加的壓力相同,所以當接觸面積較大(以整個手掌按壓)時,所需力量較大。(但不成正比,原因是按壓時的凹陷變形造成手套的複雜張力。)
3. 實驗三:
(1) 觀察手套食指的凹陷方向,判斷其所受水壓的方向為何?
答:水壓方向是由四面八方朝向手套。(所以我們說靜止流體的壓力沒有方向性,其所造成的力垂直於受力面。)
(2) 當戴手套的手越深入水中時,指尖感受到水壓有無變化?
答:感受水壓變大。
(3) 請學生轉動在水中的手腕,由手套內指尖的感覺判斷水深相同處,各方向的水壓強度是否相同?
答:水深相同處,各方向的水壓強度皆相同。
(4) 如果水壓就類似大氣壓力,手套就像人體,把水倒入手套內,手套就不會像之前的情形一般被壓扁,你可以藉此解釋為何人體不會被大氣壓力的作用力壓扁嗎?
答:許多學生對「雖然大氣壓力很大,但是因為身體內部也有壓力,所以我們不會被大氣壓力壓扁」的說法感到疑惑,本實驗先讓學生體驗本來緊貼皮膚的手套,在倒入水後立刻鬆開來,手套就像人體一般,當內部壓力與外在壓力平衡時,就不會被壓扁(緊貼在手上)。 -
延伸活動利用實驗三的結果,想想看,食物放在塑膠夾鏈袋中,如何能將空氣排出,達到類似抽真空保存的效果?答:將裝好食物的夾鏈袋放入裝水的水盆中(上緣勿放入水中,避免進水),利用水壓將空氣排出後,再將夾鏈密合即可。