四層塔與火山爆發

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四層塔與火山爆發

陳淑華 吳宏達

宜蘭縣立員山國中

一、前言：

大多數的學生在學習理化這門課程時， 常常在有些單元上倍受困擾，無法完全瞭解 其涵義，而其一為理化課最早出現的抽象概 念性的計算問題一密度，這個單元是大多同 學的痛，也是學生放棄理化的第一步，其主 要原因是牽扯計算，再加上密度這個概念以 往沒接觸且抽象，同時課本對於密度的定義 也語焉不詳，而這單元又是理化的第一章， 大部份學生如果在此受挫，因而放棄理化， 對於自然科的教育將是一大敗筆，故利用帶 入兩個小實驗，使學生可以加深先備知識， 並利用色彩的變化來刺激視覺感觀，可促進 學生對理化的興趣。

二、實驗目的：

1. 利用酒精密度比水小，將兩者依不同比例 混合，配出四種密度不同的酒精溶液來代 表四種密度大小不同的物質 2. 利用色彩分層的效果，使學生藉由觀察理 解：密度大者沉於下層，而密度小者則居 於上層 3. 利用觀察飽和食鹽水會下沉，純水(含數滴 廣告原料 )會上浮，讓學生了解水的密度會 因食鹽的加入而變大，即海水的密度比純 水的密度大的原因

三、器材：

950/0的酒精 蒸餾水 量筒(25mL) 滴管 廣告原料 集氣瓶(兩個瓶口相同大小) 塑膠板(比瓶口寬 2 倍，且在中心瓶口 半徑外約 2cm 有兩小孔，且小孔直徑約 0.5cm) 電子天平 食鹽

四、步驟：

(一)四層塔：

(1) 取 100mL 的蒸餾水，並加入紅色廣告原 料，當作是 A 溶液 (2) 取 20mL 的酒精再加蒸餾水至 100mL，並 加入黃色廣告原料，當作是 B 溶液 (3) 取 40mL 的酒精再加蒸餾水至 100mL，並 加入綠色廣告原料，當作是 C 溶液 (4) 取 60mL 的酒精再加蒸餾水至 100mL，並 加入紫色廣告原料，當作是 D 溶液 (5) 利用電子天平分別秤出 A、B、C、D 四 種溶液的質量 (6) 將 A、B、C、D 四種溶液所測得的質量 除以混合液的體積，並比較其比值的大小 (7) 利用滴管沿著量筒杯壁慢慢加入液體(利 用液面與杯壁間的附著力)，以避免因重 力而無法分層

科學教育月刊 第 247 期 中華民國九十一年三月 − 62 − (8) 取 25mL 的量筒為容器，以 A 溶液先滴入 約 5mL，再滴入 B 溶液約 5mL，依序再 滴 C 溶液約 5mL、D 溶液約 5mL，靜置 2 分鐘後看有無變化 (9) 再取另一個 25mL 的量筒為容器，改以 D 溶 液 先 滴 入 約 5mL， 再 滴 入 C 溶 液 約 5mL，依序再滴 B 溶液約 5mL、A 溶液 約 5mL，靜置 2 分鐘後看有無變化

(二)火山爆發：

(1) 將集氣瓶裝滿室溫水，並用滴管滴入數滴 廣告原料，以利觀察 (2) 再取另一空集氣瓶裝滿飽和食鹽水 (3) 將 飽 和 食 鹽 水 的 集 氣 瓶 口 用 一 塑 膠 板 按 緊，小心倒立放至裝純水的集氣瓶(含數 滴廣告原料)口上 (4) 慢 慢 將 圓 板 移 動 至 使 兩 個 小 孔 均 在 瓶 口 內，觀察兩個集氣瓶的變化 (5) 承上，再各取另一個裝純水的集氣瓶(含 數滴廣告原料)、飽和食鹽水的集氣瓶， 改將裝純水的集氣瓶(含數滴廣告原料)放 在飽和食鹽水的集氣瓶之上，觀察兩個集 氣瓶的變化

五、實驗討論：

1. 加入液體以 A 溶液先滴入，再滴入 B 溶 液，依序再滴 C 溶液、D 溶液或加入液體 以 D 溶液先滴入，再滴入 C 溶液，依序再 滴 B 溶液、A 溶液，兩者 有何差異？ 參考答案：若滴入溶液依序以 D 溶液、C 溶 液、B 溶液、A 溶液，則馬上混 成一團，無法分層；若滴入溶液 依序以 A 溶液、B 溶液、C 溶液、 D 溶液，則色彩明顯分層 2. 比較 A 溶液、D 溶液，誰居於下層？ 參考答案：A 溶液在下層 3. 比較 A 溶液、 B 溶液、C 溶液、D 溶液， 何者的質量除以體積最大？ 參考答案：A 溶液的比值最大，即密度最大 4. 由第(一)部份實驗可推論：密度大者在上層 或下層？ 參考答案：密度大者在下層 5. A、B、C、D 四種溶液何者的質量較大？ 參考答案：A 溶液 6. 由第(一)部份實驗可推論：體積相同時，質 量與密度的關係？ 參考答案：質量越大，密度越大，質量與密 度成正比 7. 飽和食鹽水的集氣瓶在下，純水的集氣瓶 (含數滴廣告原料)在上；純水的集氣瓶(含 數滴廣告原料)在下，飽和食鹽水的集氣瓶 在上，兩者有何差異？ 參考答案：若純水的集氣瓶(含數滴廣告原料) 在 下 ， 飽 和 食 鹽 水 的 集 氣 瓶 在 上，會發現廣告原料如火山爆發 狀往上衝；若飽和食鹽水的集氣 瓶在下，純水的集氣瓶(含數滴廣 告原料)在上，則沒有明顯變化 8. 由第(二)部份實驗可推論：飽和食鹽水或水 誰密度大？ 參考答案：飽和食鹽水 9. 由第(二)部份實驗可推論：加了食鹽，溶液 的密度會變大、或變小、或不變？ 參考答案：變大，且可推廣：只要是加入可 溶的固體溶質，水溶液的密度皆 會變大

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六、參考資料：

國中理化 1-2 水的密度、 5-5 熱的傳播

備註：

1. 四層塔實驗中，溶液層層間最好色彩對比 強烈，較易觀察。 2. 四層塔實驗中由一種溶液要再滴入另一種 液體時，要特別小心輕按滴管，且要沿著 杯壁慢慢將液體滴入，否則液體容易因重 力而混合，即層與層的界面要形成是最容 易混合而失敗。 3. 初學者可利用較細的量筒(如 10 mL)，如此 可增加成功率。 4. 配製好的 A 、B、C、D 溶液，應儘可能在 短時間完成四層塔，因酒精屬於易揮 發 的 液體，到最後四種溶液的密度會相差不夠 大，而無法分層。 5. 若技術較純熟可利用滴定管，挑戰 20 層以 增加可看度(學生曾挑戰到 21 層)，但因含 酒精量較高時，水性的廣告原料不易溶， 故也要準備油性的廣告原料，即酒精含量 較高時，加油性的廣告原料；酒精含量較 低時，加水性的廣告原料。 6. 火山爆發實驗中，橘色的廣告原料較易觀 察出，即較明顯。 7. 火山爆發實驗中，可將手用力按住上方的 集氣瓶，則向上衝的現象會更明顯。 8. 四層塔與火山爆發，在實驗室現場觀察， 其實驗結果均是很明顯的，但由於器材屬 於玻璃，照像時玻璃會大量反光，使照相 的呈現很不理想，這也是這種實驗困難之 處。 9. 為了解決玻璃會反光的困境，本次的實驗 均在小暗箱照出。

附註：

圖一： 為 A、B、C、D 四種密度大小不同的溶 液，A 溶液為紅色(密度最大)、B 溶液 為黃色(密度次之)、C 溶液為綠色(密 度再次之)、D 溶液為紫色(密度最小) 圖二、三：為四層塔實驗裝置圖(以 25ml 的 試管為容器) （下接第 56 頁）