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與管外的液體高度不同,這是什麼現象?原因為何?

出題說明:

此題欲探討學生是否能區分『大氣壓力現象』與『毛細作用現象』的差異以及探 討學生對於毛細作用成因的理解程度,此題在觀察到的現象上相似,皆是使細管 內的水位變化。若把一管徑很細的玻璃館插入水槽中,可見到管內上升的水注高 度超過槽中的水平面,稱為毛細現象。毛細現象則為內聚力與附著力交互作用影 響,若為濡濕液體則因為附著力使液面擴大,而內聚力則使液體表面收縮,對於 濡濕液體來說,附著力大於內聚力,於是管內液體上升,以減小液面,直到表面 張力將液體向上的拉力與管內升高的液柱重量達平衡時,管內液體才停止上升;

若為不濡濕液體則附著力小於內聚力,引起液面向液體內部彎曲,使液面彎曲成 曲面,同樣增大了液面,而表面張力的收縮作用使液面減小,於是隨著管內水銀 下降直到表面張力向下拉力作用與管內外液面差引起的壓力差達平衡停止,其中 插管為開口;另一方面,托里切利實驗為一種『大氣壓力的現象』,當水銀插在 水槽中,水銀會因為大氣壓力的關係而使得水銀面上升 76cm 水銀柱高,管子為 封口,內為真空,『大氣壓力現象』與『毛細作用現象』兩者的示意圖如下:

表十四:開口細管插入水中液面上升下降現象的作答情形

什麼液體,液面皆上升;作答情形為 5 的學生雖有應用到濡濕或不濡濕 的概念,但認為水位依然皆會上升。

訪談資料:

此題甲生、丙生皆有迷思概念。甲生認為水位上升為大氣壓力現象(托里切利實 驗),丙生則是以沒看過液面下降的情況來解釋。

(一)認為水位上升皆為托里切里現象 訪談結果:(甲生)

T:請問為什麼你會覺得將開口細管插入水中,水位上升的現象叫做托里切利真空?

S:以前好像是國中的時候有學到吧,水銀柱上升 76 公分高啊。

T:所以你覺得這是一種大氣壓力的作用?

S:嗯…我想應該是這樣沒錯。

由以上訪談內容可以得知學生認為將細管插入水中水位上升的現象就叫做 大氣壓力現象(托里切利實驗),學生會這樣認為是因為之前有學習過大氣壓力 的單元,而此托里切利實驗與毛細作用現象都非常相似,都是使水位產生變化,

造成學生一看到題目就想到托里切利實驗,而沒有注意到托里切利實驗與毛細作 用之間的差異,造成迷思概念。

(二)沒看過液面下降的情況 訪談結果:(丙生)

T:請問既然你認為這是毛細作用現象,那液面為什麼都會上升呢?

S:嗯…印象中沒看過液面會下降的情況。

T:所以你在生活中沒看過細管插入液體後,液面下降的情況嘍?

S:對啊,好像沒看過。

T:那請問你為什麼不覺得這是大氣壓力托里切利真空的現象?

S:老實說我也不太會分,就感覺是毛細現象。

由以上訪談可以得知,學生雖然知道這是毛細作用的情況,不過卻因為在日 常生活中沒有看過液面下降的情況,因此認為若將開口細管插入水中,水位皆會 上升,造成迷思概念;另一方面,『大氣壓力現象(托里切利實驗)』與『毛細作 用』兩者在觀察到的現象相似,學生往往也不了解兩者之間的差異,造成迷思概 念。『托里切利真空』與『毛細作用現象』這兩個科學現象非常相近,也容易造 成學生的誤解或是將其中一個科學現象套用至另一個情境。『托里切利真空』主 要是因為大氣壓力作用,水銀注高 76 公分;而『毛細作用現象』則是因為表面 張力,液體上升或下降。學生若不能清楚區分之間的差別或是對於定義不夠了 解,則會造成迷思概念並影響學生的學習。