神奇寶特瓶的原理相關文獻

研究者為了設計出適合推廣的水之科學魔術套件，從既有的和水相關的科 學遊戲中找出效果顯著且令人有驚奇感如魔術者，經過不斷試驗最後挑選出適合 的材料和成功率較高的製作過程，其中套件之一的神奇寶特瓶便是如是得來的。

以下分成「國外文獻」、「國內文獻」、和「表面張力的成因與相關探討」等層面 來探討。

一、國外文獻

Steve Spangler 是一個科學教師，曾在 2006 年被時代雜誌選為年度一百大有 影響力的人，其為人所知的是創立 stevespanglerscience 公司，專門開發、製造和 銷售科學玩具，並在其網站上收集及展示可在課堂上用到的科學實驗含步驟、原 理及其視頻。Steve Spangler 的網站上有和神奇寶特瓶相類似的實驗，原理也相 同，只是作法不太一樣。如下段內容詳述。

標題為「反重力的水」的實驗圖如圖片 1 所示直接點出其神奇效果，副標題 說一定可以讓朋友有被戲弄的效果。

圖 1 實驗 Anti-Gravity Water

（圖片來源 http://www.stevespanglerscience.com/

experiment/anti-gravity-water）

實驗步驟如下:

1.準備一個有寬口的高腳玻璃杯，以一條手帕蓋住瓶口，確保將手帕的中心 向杯底推。

2.從手帕的中心澆水，直到裝滿杯子的 3/4。

3.緩慢地將垂吊在杯子外的手帕向下拉，使手帕形成拉緊狀橫跨在玻璃杯的 杯口，一隻手抓緊杯子底部的手帕。

4.另一隻手蓋住杯子口，並用另一隻手將杯子反轉，將另一隻蓋住杯口而 現在所在位置較低的手緩慢地放開，水依然留在杯子中，這可以證明手帕 就是使水反重力的關鍵。此時如雷的掌聲將會響起，很多人會問：你是如 何做到的？

5.最後來個結束，將你剩下的手放在玻璃杯的瓶口，將玻璃杯倒正回來，拿 掉手帕，再將玻璃杯倒立，水將如預料地流出來。

這是如何做到的，水當初可以倒入玻璃杯中，是因為手帕向杯底推時在瓶口 形成一個洞，當拉緊垂吊在外的手帕時，這個操作允許水分子鍵結其他的水分子，

在玻璃杯口形成所謂的表面張力，即使在手帕中有微小的孔，因為水的分子和手 帕結合在一起，讓布中的每個開口形成薄膜，使水停留在杯子中。不能讓玻璃杯

傾斜太多，不然會破壞表面張力使水流出。雖然使人驚訝，但畢竟瓶口仍有手帕 封住，觀眾都會懷疑機關一定在手帕上，使得驚奇感因而降低。

另有一段來自於傑佛遜實驗室( Jefferson Lab )所收集的 youtude 頻道中一個 播放列表題為凍傷劇院( Frostbite Theater )中一段名為「驚奇的反重力水的戲法」

( Amazing Anti-Gravity Water Trick )的影片，因為讓人不容易找出不可思議之處，

堪稱為有魔術效果，深入探究其原理也和本研究套件中的神奇寶特瓶原理完全相 同是表面張力的緣故。

影片中有一男和一女分別將廣口玻璃瓶裝水，並在瓶口放上卡片紙用手壓住 紙，再將整個杯子和紙翻轉過來，紙和水都不會掉下來，這是因為大氣壓力的緣 故，接下來神奇的事發生了，那個女生突然把紙拿下來，瓶內裝水且瓶口朝下，

居然滴水不漏。這段影片引起許多人參與討論。後來在網路上有解密版出現，原 來這個神奇的玻璃瓶是特製的。整個製作步驟如下圖 2 和圖 3 所示，資料來源:

Frostbite Theater (2013)。

雖然 Amazing Anti-Gravity Water Trick 影片中的製作過程很簡單，材料也容 易取得，但硬質紗網有顏色，如果觀眾太靠近表演者，難保不會被看出破綻，使 觀眾失去被騙的樂趣。若想要取信觀眾，瓶口沒有東西擋住，在瓶子倒掛時，向 從底部穿過牙籤等東西，又因為紗網孔洞太密，容易卡住，使表演效果打折。

本研究發展出水之科學魔術套件之神奇保特瓶，改善了以上的缺點，更有魔術效 果，不但材料易取得也容易製作。

二、國內文獻

方金祥與劉奕萱（2008）發表創意科學魔術之設計與製作內有提到「神奇的 杯子」，和本研究有類似的作法、相同的原理和表演效果。製作方法如下所示。

1.在桌面上先放一張 A4 大小廢棄的紙張。

2.在紙張上在放一片 10 ×10cm²的白色砂網。

3.用熱熔膠槍在一塑膠杯口上圖滿一圈熱熔膠。

4.迅速將塗滿熱熔膠的塑膠杯口倒置於白色砂網上，並用力壓緊塑膠杯 約 30 秒，則白色砂網與紙張會一起黏在塑膠杯口上。

圖 2 將熱熔膠塗在瓶口，再將紗 網壓在玻璃瓶口。

圖 3 等熱熔膠乾掉後，將瓶口外 的紗網剪掉就製作完成了。

5.一手抓住黏在塑膠杯口上白色砂網，另一手抓住紙張，將紙張撕掉。

6.用剪刀將露出塑膠杯口的白色砂網剪掉，則在塑膠杯口上有一片與塑膠杯 口同大小的白色砂網固定在塑膠杯口上。

在許良榮教授所架設的「科學遊戲實驗室」網站中，有一項名為「不透水的 網子」的實驗，因為操作簡單，材料易取得，被本研究主要參考材料，詳細的描 述如下表 2。

表 2 「科學遊戲實驗室」網站中「不透水的網子」

裝置

關鍵 觀念

大氣壓力、表面張力。

製作 方法

取一個杯子，將杯子放入水槽中，再以沙網（玻璃窗用）罩在杯口，杯 子大小形狀不拘，但是瓶口一定要平整，並注意沙網與杯口要緊密接和，

不會凹凸不平。

魔術 效果

將杯子連同沙網垂直拿出來(如下圖)，猜猜看瓶子裡的水會不會流出來？

想一想：如果將杯子傾斜，會發生什麼事呢？

圖一 圖二 圖三

原理 因大氣壓力大於杯子的內壓，所以所提供的向上推力足以支撐杯內液體 的重量。當大氣壓力向上推擠時，若空氣進入杯內，則杯內的水會被排 擠流出；紗布的網格中因水分子的表面張力效應，以致形成一層水分子 薄膜，阻擋了空氣，使其無法進入杯內，在此水膜下方因大氣壓力大於 水膜上方的水壓力所以能阻擋杯內的水，使其不流出。若將杯子傾斜，

則杯內壓力失去平衡，空氣便會從壓力較小的一端擠壓進入杯內，使水 流出來。

資料來源：許良榮（2013）。引自( http: //scigame. ntcu.edu.tw/power/ index.html ) 從上述可知，若杯子垂直時，水分子間的表面張力，阻止了空氣進入杯中，

是水流不出的關鍵。相反的，若杯子呈現傾斜，空氣就由壓力小的一端進入，使 得水流出來。所以這個實驗表演要成功，呈現像魔術一樣的驚奇效果，重點在於 是否可以讓水杯保持平衡。

三、表面張力的成因與相關探討

資料來源：整理自引自（傅宗玫、陳正平，2001；維基百科，2013；張慶堂，2012）

關於表面張力特性的敘述，郭騰元（2002）有許多水的科學遊戲與其相關，

自然界有許多現象也和表面張力有關，綜合國內外的網站，將其綜合整理如 下表 4。

表 4 表面張力的現象綜合整理

表面張力的力平衡蜘蛛的重量，幫助它 在水面上行走。引自：Hu ﹐Bush (2003)

表面張力使葉上的水珠呈現圓球狀。

引自： University of Liverpool (2013)

表面張力造成的毛細現象。

引自：林春煌（2013）

水面高出杯緣少許，表面張力使水不會 溢出。引自：dotabata pea (2013)

表面張力的大小和測量是許多學生很感興趣的題目，在歷年科展得獎作品 中有浮沉子、拍照法、槓桿法、毛細管、連通管等許多有創意的測量方式。引自

（ http://science.ntsec.edu.tw/Query.aspx?fld=1000000&key=%u8868%u9762%u5f3 5%u529b&qt=02&p=1）

表面張力這個概念由國小到高中課都有相關內容，而且其現象在生活中也 很常見，所以將此概念的魔術挑選到水之科學魔術套件，是再適合不過的。國小 和國中因為沒有深究其原理，只要知道何種現象是表面張力造成的，高中物理學 有探究其力的大小，可以針對原理做深入的探討。