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空氣的重量-天燈
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翰林三上第三章:風與空氣 康軒三上第三章:奇妙的空氣 南一三上第二章:空氣和水
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翰林:空氣、風與生活 康軒:空氣還有什麼特性 南一:空氣和水的特性
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40分鐘
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科學學習中心
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一、 理解空氣加熱後體積膨脹,密度變小會往上升。
二、 透過實驗得知熱空氣上升,冷空氣下降,並形成對流。
三、 可發現熱氣球球體大小與載重浮力有相關聯。
- 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. 引起動機與生活連結:
(1) 高雄愛河熱氣球
https://www.facebook.com/watch/?v=870624995159013
台東熱氣球嘉年華
https://www.facebook.com/watch/?v=976754357585514
問題:同學們有參加過台灣的熱氣球盛典嗎?
(2) 要讓熱氣球成功升空,飛行員做了哪些準備呢?
撐開氣球體、對氣球體內部空氣加熱。
(3) 平溪天燈節
https://www.youtube.com/watch?v=OVKku9ARGxk
問題:天燈跟熱氣球有哪些相似的地方?
2. 舊課程回顧:
(1) 空氣溫度上升時,空氣體積會膨脹。空氣溫度下降時,空氣體積會收縮。
(2) 熱空氣上升、冷空氣下降。
(3) 空氣佔有體積,空氣具有重量。1m³的空氣在標準狀況下有1.293kgw。
氣球天平的實驗:若利用150cm x 150cm 薄膜袋取代氣球來做實驗,會發現實驗結果不一致,為什麼?--空氣的浮力等於所排開的空氣重。加上空氣浮力後,天平不會偏移。
提問:天燈、氣球、塑膠袋裝空氣,差別在哪裡?
提問:空氣可以被壓縮嗎? -
20分鐘二、 操作與觀察
1. 證實空氣具有重量的氣球天平實驗,若改以150cm x 150cm 薄膜袋來進行,實驗結果是否會不同?--需考量空氣的浮力等於所排開的空氣重。將空氣充入氣球、塑膠袋的差別在哪裡?--空氣在氣球中被壓縮了!
2. 透過實驗操作將天燈(熱氣球)在教室中重現:
教師提前組裝塑膠袋天燈完成,並手握棉繩防止天燈飄遠或碰觸障礙物及天花板影響滯空時間。
3. 找尋挑高的空間做實驗,頂部盡量避免有過多障礙物。
4. 教學提示:
(1) 加熱過程天燈需先將上角上拉避免受到高溫而變形。
(2) 以吹風機製造熱空氣送入天燈中。
(3) 請學生觀察記錄加熱過程中,天燈有什麼樣的變化過程?將看到的狀態描述或畫下來。
(4) 加熱過程需等待一段時間,可發現天燈主體慢慢膨脹撐大,當天燈整個被熱空氣撐開後,我們發現天燈漸漸往上浮了起來。
5. 延伸實驗:載重天燈
(1) 可在天燈繩子十字交叉處,利用迴紋針加上夾鏈袋,並準備螺帽數個。依次放入螺帽,觀察天燈可以載重多少個螺帽?
(2) 實驗前請學生先預測可以載重的數量,再開始實驗操作
問題一:你認為我們的天燈可以載幾個螺帽上天呢?
問題二:若是要載重更多的重量,你認為我們可以怎麼改良天燈呢?
6. 推論:實驗中了解熱空氣會膨脹,並使熱空氣往上飄,那如果我們讓天燈內的空氣降溫,會發生什麼現象呢?
(1) 觀察天燈飄上天空後等待一段時間,天燈在空中的位置變化。
(2) 天燈內的空氣溫度降低後,天燈慢慢降落至地面。 -
5分鐘三、 原理說明:
1. 透過加熱塑膠袋內的空氣,使內部空氣溫度上升,體積膨脹,密度變小,天燈燈體加上內部空氣的總重量小於天燈外部空氣提供的浮力,因而產生淨浮力使天燈往上浮。
2. 天燈的體積加大,加熱膨脹後所受的淨浮力越大,內部可蓄積的熱空氣量更多,整體降溫的速度也會減慢,所以可以停留在空中的時間更久。 -
10分鐘四、 問題與討論
1. 為什麼在加熱時要有人將塑膠袋拉起呢?
解答:不論是熱氣球、天燈都需要拉開外皮,避免在加熱過程中因高溫使表面受到高溫而變形或燃燒,所以須將外皮拉開遠離熱源。
2. 如何可以載重更重呢?
解答:讓天燈的溫度更高(加熱時間更久,但小心塑膠袋被高熱融化),或加大塑膠袋使加熱後的體積增大,可容納更多熱空氣來獲得更大的淨浮力。
3. 若是改為加厚垃圾袋作為天燈的外皮可以作為天燈材料嗎?
解答:若天燈整體重量變重,擔心浮力大小無法大於天燈總重量,進而無法使天燈飄浮起來,所以外皮材料盡量挑選重量較輕的材質。
4. 為什麼一段時間後天燈就會自動降下來呢?
解答:由於熱的傳導或輻射,熱空氣的熱量慢慢與散失於周圍環境中,使其溫度慢慢降低,氣體分子運動減慢、聚集,導致內部壓力短暫下降。此時,外界較重的冷空氣會立刻從底部的開口湧入填補空間。密度增加,整體重量變大,當天燈總重量(包含天燈燈體)等於或大於空氣浮力時,天燈就會漸漸降下來。 -
參考資料https://technews.tw/2014/08/09/air-multiplier/
