利用針筒及配件組成大氣壓測量與掛舉實驗裝置 71 物理教育學刊
2008, 第九卷第一期, 1-16 Chinese Physics Education2008, 9(1), 1-16 物理教育學刊
2013, 第十四卷第一期, 55-62 Chinese Physics Education2013, 14(1), 55-62
利用針筒及配件組成大氣壓測量與掛舉實驗裝置
周建和 楊美姍 國立高雄師範大學 物理系 （投稿日期：民國102 年 07 月 15 日，修訂日期：102 年 07 月 29 日，接受日期：102 年 07 月 31 日） 摘要：本文探討如何利用動手做實驗幫助學生學習大氣壓力的相關概念，茲依照 不同的教學使用，以醫療用和工業用的針筒為主要素材，總共設計了三種不同的 大氣壓力實驗裝置：「簡便型大氣壓力實驗裝置」方便學生動手做實驗進行大氣壓 力的測量分析、「點膠針筒型大氣壓力實驗裝置」可以用來吊掛重物，適合教學演 示時使用、「吊舉型大氣壓力實驗裝置」加裝了利用針筒及其配件組成的簡便抽氣 系統，足以舉升一般成人。 關鍵詞：大氣壓力、動手做、教學演示、針筒壹、前言
近年來的教育改革，企圖讓老師建立正 確的觀念，教學活動強調活潑生動、實作探 究和回歸生活。也期望培養學生主動發現問 題，科學探究和解決問題的能力。透過實作 的活動，可以激發學生學習科學的興趣，進 而培養學生正確的科學態度及科學方法。學 生能夠經由實驗活動學習科學探究的方法、 瞭解科學本質、學習從事科學的態度、培養 科學過程技能。實驗活動在科學教育發展中 已經有很長的一段時間，並且被視為科學教 育中的一環，好的實驗活動可以提供學生建 構知識的機會。（Hadzigeorgiou，2002；King， 2007；Tamir，1990；Tobin，1990） 針筒本身形成密閉系統、藉由推柄能改 變密閉系統的體積。使用針筒設計教具可用 來進行多種實驗探討，包括連通管原理、帕 斯卡原理、波以耳定律、和浮力原理等等多 面向的物理觀念，所以在物理與化學教學上 常見其應用。塑膠針筒含有豐富的教學設計 內涵，楊美姍等（2012）曾利用工業上的點 膠針筒加工改良，比起一般醫療用針筒的截 面積增大了6倍，因而可做成示範千斤掛的實 驗吊掛重物。今結合使用醫療用的塑膠針筒 和三通開關、水族箱用的膠管和止逆閥、與 工業用的點膠針筒等生活材料配件，進一步 設計組合成三種不同的大氣壓力實驗裝置， 可以提供不同的教學使用。由於由於塑膠針 筒具有：取得十分容易，費用不高，不易破碎、方便隨意組合等好處，所組成的大氣壓 力實驗裝置，能夠達到物理教學融入做中學 的功能，讓學生在遊戲中學習科學的樂趣， 有效提高學習的成效。
貳、實驗裝置
三種大氣壓力實驗裝置係以塑膠針筒及 相關配件，進行實作科學教材及活動的開發 與設計。首先參考台灣現行國高中自然科的 實驗教材，考量不同教學場合，或供學生動 手操做量測的實驗、或供教師課堂上作實驗 示範的裝置，主要的目標是為了幫助學生大 氣壓力概念的學習。從一般教室內的動手做 實驗裝置到需要推車搬運的示範儀器，依照 教學使用的便利性與運作方式的不同，共設 計了「簡便型」、「點膠針筒型」、「吊舉 型」三種大氣壓力實驗裝置，三者使用的材 料也有所不同，茲分述如下：一、「簡便型大氣壓力實驗裝置」
先用一個塑膠針筒當作密閉的氣室，將 針筒接上一個三通開關，藉著三通開關的轉 鈕可以控制針筒氣室為密閉或開放。再用簡 便的繩子將購物提袋綁住針筒的推柄當作秤 盤，同時使用裝滿水、已知容積的瓶裝水作 為砝碼備用，如圖1a 所示。 此裝置可以用在學生分組實驗進行大氣壓 力的測量，也可以在課堂上以師生互動演示 的方式，一起測量大氣壓力，老師引導學生 一起觀察並紀錄測量數據，如圖1b 所示。裝 置的操作方法很簡單，首先在三通開關保持 針筒氣室開放下，將針筒活塞推到底，接著 轉動開關使其形成密閉空間，然後就可以開 始進行實驗，一個接一個地在提袋內放入瓶 裝水砝碼，觀察推柄何時開始下降。 地表上大氣壓力的大小約為每平方公分 1 公斤重，估計活塞的截面積就可以知道大 圖1a：簡便型大氣壓力實驗裝置，藍色元件為 三通開關。 圖1b、老師課堂上演示，學生一起觀察紀錄。氣壓力在實驗裝置上能產生多大的吊掛力 量。針筒活塞的截面積可以用2 種簡便的方 法估計：方法一、 用直尺量針筒上 2 個刻 度的實際距離，再將刻度所顯示的容積除以 距離（等同於氣室的實際高度）即為截面積 大小。方法二、 直接用卡尺測量針筒內徑， 再藉以計算截面積。市面上找到的塑膠針 筒，即使容量相同，也會因為廠牌的不同導 致截面積有所差異。茲以市面上常見之某廠 牌20cc 針筒為例，標示 20cm3容量的2 刻度 間實際距離為6.30cm，換算可得截面積為是 3.17cm2，乘以標準狀況下的大氣壓力1033.6 gw/cm2，可以得到吊掛重量為3277.5 克重。 進一步考慮到針筒推柄活塞和內壁之間存在 摩擦力、三通開關的管路中一些微量空氣、 不同針筒性質上的個別差異、使用次數多寡 與環境不同導致的塑膠性質不穩定，實際的 掛重與理論計算值會有誤差，多次實驗的結 果會比理論計算值約需增加 1 成到 2 成間的 吊掛力量，故20cc 針筒的實際掛重測量值約 為5 瓶或 6 瓶的 600c.c.瓶裝水。
二、「點膠針筒型大氣壓力實驗裝置」
基於大氣壓力乘以面積等於掛重，設法 增加氣室中活塞的面積可以提高吊掛的重 量，就可望做到利用大氣壓力吊掛真人的教 學演示，讓學生以深刻的印象體會到「大氣 壓力」很大。只是市售醫療用塑膠針筒的大 小有所限制，雖然灌食用針筒可以較大，但 是由於為了方便灌食它的接頭很特殊，無法 直接與三通開關結合，如果拿來作為大氣壓 力吊掛教學演示，就失去原先結合三通開關 接頭的便利性。所以使用單一醫療用塑膠針 筒所能達到的截面積有限，不容易方便做到 吊掛真人的教學演示，因此得另設法尋材料 來源。這裡找到工業上用來自動供給點膠的 300c.c.針筒，此類針筒借一片推帽推擠膠 液，需要接上大小配合的pvc 塑膠管做成推 柄。外徑35mm PVC 塑膠水管的外套管恰好 圖 2a：兩支並掛「點膠針筒型大氣壓力實驗 裝置」零件圖，木板架中央打一個大小適中 的圓孔，可以架設在 7~8 呎高的梯子。圖中 藍色的三通開關和針筒是醫療用器材、黃色 的止逆閥是水族箱元件。用來組成後來加上 去的簡便抽氣系統，可以使這個裝置掛舉兩 用，後文會詳細說明之。 圖2b、工業上用來自動供給點膠的 300c.c.針 筒接上pvc 塑膠管做成推柄，兩支並掛吊掛重 物，足以承受體重52Kgw 重的成人。然後逐 漸加上1Kgw 的書，在承重 57Kgw 時活塞開 始呈現明顯的下滑。可以和點膠針筒的活塞結合，做成點膠針筒 最後整個裝置架在一木板架上。木板架中央 打一個圓孔，孔徑略大、恰好能讓PVC 塑膠 的推筒。先在PVC 塑膠水管下方打洞後，鎖 上一支金屬螺絲棒，再連接一個金屬掛勾， 水管推筒穿過，但是卻小於點膠針筒，如此 能支撐住點膠針筒所製成的千斤掛，所需零 件如圖2a 所示。 初步的估算，點膠針筒的筒身截面積約 為 20cm2。加上摩擦力會協助防止掉落，支 撐重量超過20 公斤重，足夠吊掛一般小孩。 若同時使用兩支，則可以吊掛一位成人。經 過實地的實驗，雙管的「點膠針筒型大氣壓 力實驗裝置」承重57Kgw 時活塞才開始呈現 明顯的下滑，如圖2b 所示。
三、「吊舉型大氣壓力實驗裝置」
使用多支點膠針筒並掛，雖然可以增加 總截面積而得到更大的吊掛重量，但是無可 避免地會遭遇到一些技術上的缺陷，主要是 由推柄傾斜所造成，傾斜時的垂直分力才是 實際的掛重，而分力恆小於合力，會因此降 低吊掛重量。另一方面，傾斜過度會使推柄 橡皮扭曲變質，嚴重影響到氣室的密閉性。 若改以壓克力等材料特製、可以解決這些問 題，使吊舉重量增大很多。圖3a 所示裝置的 截面積約 130 平方公分，能輕鬆掛、舉 80 公斤重的成人（圖 3b）。裝置本身在安全與 穩固的考量下，以金屬做成掛架，可安穩地 置放在7~8 呎的摺合梯子上，架設十分簡易 方便。 基於教學上的考量，設計上需要讓氣室 體積的變化透明可見，所以採用了壓克力管 壁，市面上有制式的大小，材料取得容易。 活塞部分採用的措施則為：1. 使用彈性塑性 適中的塑料，2. 與管壁接觸的側面加工成下 斜內縮，移動時以可以增加密閉性，然後 3. 在活塞與管壁間灑上木屑以減少摩擦力。參、簡易抽氣裝置
為了由單純的吊掛改變成舉升的功能， 開始時是連接一個抽氣機，抽氣機需要接上 電源，而且運送和架設增添許多複雜性，讓 使用的機會減少。後來發現用針筒與活門可 圖3a：吊舉型大氣壓力實驗裝置，由壓克力 氣室、金屬掛架組成。 圖3b、輕鬆支撐、舉升一般人。圖4：針筒與活門組成的簡便抽氣系統，由 1 個 （藍色的）三通開關、2 個（黃色的）止逆閥、 PU 塑膠管和醫療用針筒所組成。當圖中針筒推 柄往上拉時，「吊舉型大氣壓力實驗裝置」氣室 的空氣會由右方的止逆閥進入針筒，外界空氣則 受到阻隔無法進入。當針筒推柄往下推時，由於 裝置與針筒之間受到止逆閥阻隔，針筒內空氣只 能經由左方止逆閥排出。如此反覆地一拉一推達 到抽氣的功能。 以很容易組成的簡便抽氣系統（圖4），不但 價格上便宜很多，無論組裝、攜帶、或操作 都非常方便，改良過的針筒與活門簡便抽氣 系統說明如下： 器材：止逆閥 2 個、三通開關 1 個、20mL 針筒1 個、PU 塑膠管（內徑 4mm、外徑 6mm、 長4cm）1 條 步驟 1. 將三通開關的母孔分別裝上 20mL 針筒、 止逆閥的出氣孔端。 2. 塑膠管一端套入三通開關的公孔，另一端 套入第二個止逆閥的進氣孔端。 3. 再將進氣孔端外露的止逆閥接上「吊舉型 大氣壓力實驗裝置」氣室預留的母孔即 成。 4. 來回推動小針筒幾下，觀察氣室活塞位置 的變化。 即使活塞往上運動時，需要扣除10~20% 之間的摩擦力，裝置仍可以輕易把ㄧ位成人 吊舉上升。根據帕斯卡原理還可以藉由不同 的針筒（不同的截面積），改變施力的大小， 連低年級的小學生也可以親自操作「舉人」 的實驗，觀察到明顯的現象變化（圖5）。 圖 5：小學生也可以親自操作「舉人」的實驗，觀察到明顯的現象變化。
為了瞭解大氣壓力實驗裝置在教學上是 否發揮作用，特別將這些實驗裝置拿到中小 學自然科教師研習工作坊，以3小時的課程進 行培訓，課後實施使用意見調查，蒐集回饋 與反映。受測教師中60％以上為具碩士學 位、非科學相關學系、任教年資11年以上的 女性國小教師。 意見調查結果顯示，受測教師對這三個 針筒教具的同意度極高，各題的同意度之平 均值皆達4.70 以上，在五點式量表中，介於 「非常同意」和「同意」之間，且顯著高於 理論中點（p<.05），顯示受測教師在針筒教 具之同意程度，傾向於非常同意針筒教具相 關的使用、操作型式與有助於其日後教學。 亦即受測教師非常想再參加像今天的研習； 認同器材的安全性、有助於教學並可以激發 學生好奇心，容易在生活周遭找到今天的這 些器材；針筒教具能和現行教材互相搭配， 並有助於其教學。
肆、結論與建議
塑膠針筒含有豐富的教學設計內涵，結 合使用醫療與水族箱、工業等生活材料配 件，可以做出三種不同教學特質的大氣壓力 實驗裝置，用於大氣壓力的測量、掛與舉重 物的實驗演示，採用針筒與其配件做成的簡 易抽氣系統，甚至可以讓學生親自操作裝置 成功吊舉成人。這些創新裝置製作容易、操 作簡便，可以發揮許多教學的成效。唯其中 「吊舉型大氣壓力實驗裝置」相對之下，則 顯得需要比較複雜精緻的製作，以及較大的 經費開支，建議不妨從多支點膠針筒並掛的 方向著手，靠著妥善地設計並掛方式，設法 降低推柄傾斜缺陷所造成的影響，可望以較 便利的裝置達到相同的功能。致謝
感謝國科會科學教育實作型成品設計製 作計畫補助（計畫編號：NSC 100-2511-S-017 -002、101-2511-S-017 -002），本文為該計畫 的計畫成果之一部份。參考文獻
1. 楊美姍、唐健文、林宗正、蘇育彰、周建 和，2012，看見「大氣壓力」－點膠針筒 千斤掛，2012 物理教學及示範研討會論文 集，陸軍官校。2. Hadzigeorgiou, Yannis, 2002, .A Study of the Development of the Concept of Mechanical Stability in Preschool Children.
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5. Tobin, K. G., 1990, Research on Science Laboratory Activities, In Pursuit of Better Questions and Answers to Improve Learning. School Science and Mathematics, 90, 403–418.
Atmospheric measuring, hanging and lifting experimental devices by
using syringes and accessories composition
C. H. Chou M. S. Yang
National Kaohsiung Normal University
Abstract
The purpose of this paper is to explore how to develop students' concept and understanding of atmospheric pressure with hands-on experiments. There are three hands-on kits used for different goals, medical syringes and industrial syringes as the main components in all. The first is a convenient one for atmospheric pressure quantitative analysis by students themselves. The second made up of industrial syringes is using to demonstrate a heavy handing by atmospheric pressure. By another device in which syringes form a lifting control system and act as vacuum pumping, we could lift up an adult.
