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氣球的六點半與十二點鐘
----查理定律的印證
明道高中 程明亮
印證查理定律有不同的方法，從視覺效果來說，不銹鋼 杯內裝約三分之一杯液態氮，可以輕易的把十五個氣球一個 個塞進去，學生的驚訝都寫在臉上，但還有一個簡單有趣，
視覺效果很棒的實驗，所需器材比液態氮容易準備，攜帶也 方便，同樣可以印證查理定律。
原理：
定壓下，定量氣體的體積與絕對溫度成正比，稱查理定律。液 態氮約零下 193 度，故可使氣體體積急速縮小，這是冷縮的過程，若 能搭配有趣的熱漲實驗，那就非常完美了！但不管熱漲或冷縮，都應 合乎下列的比例關係：
2 1 2 1
T T
VV = V：氣體體積 ； T：該氣體的絕對溫度
絕對溫度(K)＝攝氏溫度 t(℃)＋273
材料：
小型氣球 15 個中型氣球 1 個 附蓋不銹鋼杯(約 500 毫升) 1 個
錐型瓶(250 毫升) 1 個
燒杯(500 毫升) 1 個 厚棉布手套 1 雙
液態氮 約 150 毫升
做法：
1. 上課前，戴上棉布手套，從杜耳瓶中倒出約 150 毫升液態 氮，蓋上瓶蓋，然後請助教幫忙帶著其餘的材料前往教 室，準備進入查理定律的教學單元。
2. 將事先吹好的 15 個小型氣球展示給同學看，告訴同學：
要把這 15 個氣球塞入不銹鋼杯中，乃是輕而易舉的事。
3. 打開不銹鋼杯蓋，開始放入氣球，第 1 個、第 2 個--- 哇！15 個通通擠進去了，請同學對所看到的現象，發表意 見和看法。
4. 將不銹鋼杯中的氣球及剩餘的液態氮以杯蓋蓋住，讓同學 想看看，裡面的氣球最後會如何呢？或者可以將不銹鋼杯 中的氣球及剩餘的液態氮倒在地面，讓同學觀看萎縮的氣 球如何再恢復原狀？
5. 將中型氣球套到 250 毫升錐型瓶瓶口，此時形成一個密閉 系統，展示給同學看時，問大家：如何能使氣球從瓶口上 站立起來？
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6. 當同學七嘴八舌討論時，請助教戴上棉布手套，用 500 毫 升燒杯至飲水機取 250 毫升熱水備用。
7. 請助教將套上氣球的錐型瓶放入熱水中，約 1 分鐘內，同 學們會看到氣球慢慢的從瓶口上站立起來，就好像時鐘的 時針和分針從六點半位置移到十二點鐘，那慢慢站起來的 過程，正是視覺效果最引人的部分了。
動腦想一想：
1.
裝了液態氮的不銹鋼杯，一段時間後，杯口及杯子外層，是否附著一些東西？是什麼成分呢？
2.
若實驗當天教室的氣溫為 27℃，假設氣球內所裝氣體為氦 氣，可視為理想氣體，則－193℃時的氣體體積，為 27℃時的幾分之幾？
3.
若氣球內所裝氣體是由我們肺部呼出的氣體所組成，含有 大量二氧化碳和水蒸氣，以及部分氮氣，則實際上在－193℃時，氣球體積比裝氦氣時大還是小？或是相等？
4.
放入熱水中的錐型瓶，如果改變熱水的溫度，是否會影響 套在瓶口的氣球，站立起來的時間？
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注意事項：
液態氮不能接觸皮膚，故操作時必須戴上棉布手套。
使用的熱水若接近沸騰，需留意勿遭燙傷。
