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教案-成雲起霧
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千變萬化的天氣(第六冊第三章)
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天氣變化
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45分鐘
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林瑞文
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一、 透過親自動手做實驗,觀察雲霧的形成。
二、 探討大自然雲霧形成過程的科學原理。 -
材料:小氣球x2(長7cm)、寶特瓶x2、球針、6號或8號橡皮塞(大小可塞住寶特瓶瓶口即可)、橡皮管(8mm,長30cm)、液晶溫度貼紙、火柴、黑色瓦楞板、橡膠手套、棉紗手套、冷水、溫水、熱水
工具:抽氣真空儲物罐、打氣筒、2000ml燒杯、滴管、手電筒 -
事先準備實驗過程需用到熱水和冰水。
先備知識:瞭解氣體體積與壓力的關係。
- 時間 教學活動流程 教學資源
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4分鐘一、 生活連結與預測
1. 引起動機:天空中有雲,雲是怎麼形成的?早晨容易起霧,霧又是什麼?和雲一樣不一樣?壓力變化和雲的形成有何關係呢?
2. 生活連結:擦玻璃時哈一口氣在玻璃上,可以看到玻璃就起霧了。冬天很冷,從嘴巴哈出的氣容易變成霧,夏天卻不容易,這又是什麼原因?海拔高度越高,大氣壓力是越大還是越小?
3. 舊課程回顧:物質有哪三態?溫度如何變化容易讓液態變成氣態?如何變化容易讓氣態變成液態? -
30分鐘二、 操作與觀察
1. 實驗一:氣體體積與壓力的關係
(1) 將吹脹的小氣球塞入寶特瓶中,然後塞上插好球針的橡皮塞,再慢慢打氣,學生可以觀察到打氣進入瓶中時,瓶內空氣壓力變大,壓縮氣球變小;放氣時會有相反的情形。
(2) 若有抽氣真空儲物罐,也可以將吹脹的氣球放進去,觀察氣球體積在抽氣過程中的變化。
2. 實驗二:氣體體積對溫度的影響
(1) 將液晶溫度貼紙放入寶特瓶中,以打氣筒慢慢將空氣打入瓶中,觀察溫度貼紙的溫度會明顯上升,用手摸寶特瓶也可以感覺到溫度上升,再將氣體緩緩放出,溫度則會下降。
(2) 若有手動抽氣真空儲物罐,也可以將溫度貼紙放進去,觀察溫度在抽氣過程中的變化。
3. 實驗三:翻轉手套
(1) 在大燒杯內裝10ml冷水,再將橡膠手套放入燒杯中,手套開口反套在燒杯口,請同學壓住燒杯,然後用力將手套手指部位往上拉,觀察燒杯內的變化。
(2) 在大燒杯內改裝不燙手的溫水,重複上述步驟,比較杯內水溫較高時,燒杯內所產生的雲霧量有何差異。
(3) 點燃兩根火柴,稍待燃燒至木柴後,丟入杯內溫水中,重複上述步驟,比較瓶中所產生的雲霧量是否有差異。
4. 實驗四:成雲起霧
先在寶特瓶中滴入五滴熱開水,點燃一根火柴後立刻丟入瓶內,塞上插好球針的橡皮塞後慢慢打氣,再立刻把橡皮塞迅速拔掉,觀察瓶中充滿雲霧;將這些雲霧擠出瓶口,就像煙圈一般。用手電筒照射這些雲霧,也可以觀察到雲霧。(其實就是飄浮的小水滴)
5. 實驗五:低溫沸騰
將沸騰的熱水倒入真空罐內(約八分滿),蓋上蓋子,再將瓶內抽真空,觀察已經沸騰的熱水再度沸騰。 -
5分鐘三、 原理說明
地面受熱後,造成上升氣流,一團未飽和的空氣上升後,由於高空壓力較小,使升高後空氣體積膨脹(實驗一);而空氣體積膨脹,造成空氣溫度下降(實驗二),又因溫度較低的空氣,可容納的水氣量較少,導致空氣中的水氣因達飽和而凝結成霧,終於集結成雲(實驗三、四)。實驗五因玻璃容器不可任意變形,而形成瓶內壓力瞬間降低而改變了瓶內水的沸點溫度,故可觀察瓶內水再度沸騰的現象。 -
6分鐘四、 討論與解釋
1. 在實驗一中,寶特瓶(或抽氣真空儲物罐)和小氣球內的氣體,何者代表造成大氣壓力的外界大氣?
答:寶特瓶內的氣體。
2. 在實驗二中,氣體壓力發生何種變化會使溫度下降?
答:壓力變小。(一團氣體在沒有和外界明顯熱量交換時,因為壓力變小、體積膨脹會造成溫度下降,此過程稱為絕熱膨脹)
3. 在實驗三中,溫度發生何種變化容易使水氣凝結成霧?
答:溫度下降。(溫度越低,一定體積所能容納的水氣量越少。過多的水氣會凝結成液態水)
4. 在實驗三中,火柴的功用是什麼?
答:火柴燃燒產生的煙,作為「凝結核」,能吸附水氣,幫助水氣凝結成小水滴,也就是我們觀察到的霧。
5. 水在不到100℃的溫度下能夠沸騰嗎?
答:能。沸騰何時發生,並不決定於溫度,而是決定於壓力。由於液態物質的蒸汽壓隨溫度升高而增加,當液體內部產生的蒸汽泡壓力足夠承受外界壓力時,蒸汽泡能持續產生,我們就能看到「沸騰」,此時的溫度稱為「沸點」。在一大氣壓下,水的沸點是100℃。壓力越小,水的沸點越低。所以在低壓下,水不到100℃就能沸騰。 -
參考資料參考資料:
1. 蕭次融等(民75):國中化學教師示範實驗。臺北市:臺灣師範大學化學研究所。
2. 〈Fog Chamber〉http://www.exploratorium.edu/snacks/fog-chamber