- 53 -
有感物理--橡皮手套在國中
水壓單元教學的應用
林瑞文
高 雄 市 立 左 營 國 民 中 學壹、前言
多 年 前 ， 一 位 在 高 雄 市 洲 仔 溼 地 擔 任 志 工 的 理 化 老 師 分 享 他 穿「 漁 夫 裝 ｣（ 如 圖 (一 )所 示 ， 俗 稱 青 蛙 裝 ） 踏 入 水 中 時 ， 會 明 顯 感 受 到 水 壓 作 用 力 ， 當 時 我 正 進 行 以 橡 膠 手 套 模 擬 雲 霧 生 成 的 實 驗 （ 請 參 見 本 刊 中 華 民 國 94 年 10 月第 283 期 ）， 是以 聯 想 到 可 以 用 橡 膠 手 套 模 擬 此 現 象 ， 用 於 國 二 水 壓 單 元 教 學 ， 利 用 此 生 活 中 慣 見 的 物 品 就 能 讓 學 生 親 身 體 會 壓 力 相 關 原 理 ， 雖 然 無 法 精 細 做 到 定 量 分 析 ， 但 操 作 時 學 生 反 應 熱 烈 ， 深 具 引 發 學 習 動 機 的 良 效 ， 現 將 數 個 我 常 進 行 的 教 學 活 動 一 併 整 理 出 來，供 國 中 理 化 教 師 在 壓 力 單 元 教 學 參 考。貳、橡皮手套實驗
一 、 以 翻 轉 手 套 體 驗 波 以 耳 定 律
(Boyle's law)：
波 以 耳 定 律 指 溫 度 固 定 時 ， 定 量 氣 體 的 壓 力 與 體 積 成 反 比 。 (一 ) 作 法 ： 把 戴 上 的 手 套 翻 轉 拉 起 後 ， 總 有 部 分 手 套 手 指 部 份 會 凹 陷 內 縮 ， 此 時 一 手 抓 住 手 套 開 口 、 另 一 手 手 指 按 壓 手 套 使 氣 體 體 積 減 少，如 圖(二) 所 示，增 大 的 壓 力 會 使 手 套 手 指 凹 陷 內 縮 部 份 伸 直 。 圖(一)青 蛙 裝 圖(二) 空 氣科學教育月刊 第355 期 中華民國 101 年 12 月 - 54 - (二 ) 教 師 提 問 參 考 ： 1. 活 動前 教 師 可 先提 問 ：「 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 ？ 」 2. 「 手 指 按 壓 手 套 使 內 部 氣 體 有 何 改 變 ？ 」 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 ？ 」 參 考 答 案 ： 1. 將 手套 外 翻 ， 內面 向 外 晾 乾。 2. 手 套 內 部 氣 體 因 體 積 減 少 而 壓 力 增 大 。 3. 按 壓增 加 的 壓 力所 形 成 的 作用 力。
二 、 以 翻 轉 手 套 體 驗 水 的 帕 斯 卡 原
理(Pascal's principle)：
巴 斯 卡 原 理 指 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 。 (一 ) 作 法 1： 當 部 分 手 套 手 指 部 份 凹 陷 內 縮 時 ， 將 水 小 心 地 灌 入 手 套 中 ， 注 意 手 套 內 不 要 殘 留 空 氣 ， 一 手 抓 住 手 套 開 口 部 位 後 平 放 於 桌 面 ， 在 以 另 一 手 手 指 按 壓 手 套 手 掌 部 位 ， 如 圖(三 )所 示 ， 可 以 見 到 手 套 手 指 凹 陷 部 份 因 為 按 壓 造 成 的 壓 力 作 用 而 伸 出 ， 此 實 驗 可 作 為 帕 斯 卡 原 理 的 體 驗 活 動 。 (二 ) 教 師 提 問 參 考 1： 1. 「 為 何 灌 水 時 注 意 手 套 內 不 要 殘 留 空 氣 ？ 」 2. 「 原 本 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 ？ 其 生 成 的 原 因 為 何?」 參 考 答 案 ： 1. 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. 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 。 (三 ) 作 法 2： 接 著 請 學 生 可 以 分 別 用 食 指 尖 端 與 整 個 手 掌 按 壓 手 套 ， 體 會 使 原 本 凹 陷 內 縮 的 手 套 手 指 伸 出 所 需 的 力 量 有 何 不 同 ？ (四 ) 教 師 提 問 參 考 2： 1. 「 以不 同 方 式 按壓 手 套 時，水 讓凹 陷 的 手 套 手 指 伸 出 的 力 量 是 否 相 同 ？ 2. 「 以不 同 方 式 按壓 手 套，同 樣使 凹 陷 的 手 套 手 指 伸 出，所 需 按 壓 力 量 圖(三) 水有感物理--橡皮手套在國中水壓單元教學的應用 - 55 - 是 否 相 同 ？ 」 參 考 答 案 ： 1. 每 次 水 讓 凹 陷 的 手 套 手 指 伸 出 的 力 量 皆 相 同 。 2. 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 。
三 、 以 橡 皮 手 套 體 驗 水 壓 的 大 小 與
方向：
(一 ) 作 法 1： 學 生 把 手 伸 入 橡 皮 手 套 中 ， 但 食 指 彎 曲 不 要 伸 入 手 套 的 食 指 部 位 ， 再 將 手 垂 直 沒 入 裝 滿 水 的 大 燒 杯 中，如 圖(四) 所 示 ， 之 後 將 手 上 下 移 動 ， 感 受 水 深 對 水 壓 的 影 響 。 (二 ) 教 師 提 問 參 考 1： 1. 「 觀察 手 套 食 指的 凹 陷 方 向， 判 斷 其 所 受 水 壓 的 方 向 為 何 ？ 」 2. 「 當戴 手 套 的 手越 深 入 水 中時，指 尖 感 受 到 水 壓 有 無 變 化 ？ 」 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 ？ 參 考 答 案 ： 1. 水 壓方 向 是 向 四面 八 方 。 2. 感 受水 壓 變 大 。 3. 水 深相 同 處，各 方向 的 水 壓 強度 皆 相 同 。 (三 ) 作 法 2： 學 生 把 帶 著 手 套 的 手 伸 入 裝 滿 水 的 大 燒 杯 中 ， 再 將 水 緩 緩 倒 入 手 套 內 ， 如 圖(五 )所 示 ， 讓 學 生 感 受 水 中 之 手 受 力 的 變 化 情 形 ？ (四 ) 教 師 提 問 參 考 2： 「 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 ？ 」 圖(四) 食 指 未 伸 入 手 套 圖(五) 把 水 倒 入 手 套 中科學教育月刊 第355 期 中華民國 101 年 12 月 - 56 - 參 考 答 案 ： 許 多 學 生 對 「 雖 然 大 氣 壓 力 很 大 ， 但 是 因 為 身 體 內 部 也 有 氣 壓 ， 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)。
