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以「瓶」窺天---
天氣瓶結晶變化與溫度改變之探究
摘要
在實驗中，我們觀察發現，天氣瓶的結晶量會受到溫度變化而改變，溫度越高，
結晶量越少；溫度越低，結晶量越多。而溫度改變速度的快慢會讓結晶形態有所不同，
當溫度改變較緩慢時，溫度由高慢慢降低，較容易有「漂亮」的結晶產生。若是溫度是 由低變高，或是實驗中在短時間內改變溫度時，較容易產生棉花狀或棉絮狀這種小結晶。
實驗中也發現天氣瓶的結晶與磁鐵所造成磁場比較沒有關係。
壹、研究動機：
三年級自然課認識天氣的單元，自然老師介紹了有漂亮的結晶的瓶子---天氣瓶，我 們印象十分深刻。回家後我們上網找了一些天氣瓶的資料，原來天氣瓶是歐洲在十八世 紀到十九世紀時使用的天氣預報工具。在密閉的玻璃容器中裝入數種化學物質組成的透 明溶液，而根據外界溫度、天氣的改變，瓶內會展現出不同型態的結晶藉此預報天氣的 變化，在近代不作為天氣預報的工具，反而變成一種趣味性質的科學裝飾品。看到解說 圖中瓶內的結晶變化，被這漂亮的天氣瓶迷住了，想親自做屬於我們自己的天氣瓶，也 想更了解天氣瓶的變化原理、外在的其它因素是否也會改變天氣瓶的變化等，與老師討 論過後，老師也建議我們可以拿這個題目來進行相關的科展實驗，於是我們的一系列天 氣瓶實驗就此展開。
貳、研究目的：
一、探討實際氣溫和天氣瓶內結晶型態的關係。
二、探討樟腦含量對天氣瓶內結晶型態的影響。
三、探討在不同溫度下，天氣瓶內的結晶型態的改變。
四、探討放入冰箱時，對天氣瓶形成結晶的影響。
五、探討磁鐵對天氣瓶形成結晶的影響。
參、研究材料：
材料：氯化銨（NH4Cl）、硝酸鉀（KNO3）、樟腦粉（C10H16O）、酒精、純水。
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器材：滴管、燒杯、軟木塞、熱水瓶、水壺、鋁箔紙 儀器：水浴槽、微量天平
肆、研究過程、結果及討論：
一、文獻討論
（一）天氣瓶的發展
天氣瓶的歷史已有二百多年，十九世紀中葉，英國舊倫敦橋就有販售類似天氣瓶的
「晴雨計（barometer）」。在發展過程中，天氣瓶曾被稱為 storm glass（風暴瓶）、weather glasses（天氣瓶）、wind glasses（颳風瓶）……等等。根據 McConnell（2006）的考證，
天氣瓶的創始者是一位法國的國會律師 Pierre Legaux（1748–1827）。在 1779 年時 Legaux 開始觀察天氣瓶，製作了「預報瓶（pronostic；法文）」觀察氣象，並預報了天氣好壞、
下雪、颳大風、起霧等氣候。這些觀察結論發表於 1780 年 4 月。
英國氣象學家 Robert Fitzroy（1805–1865)，在一些有名的航行（例如生物學家達爾 文的小獵犬號）觀察與紀錄氣象變化，於 1861 年描述了如何用天氣瓶來預測天氣，因 而常被誤認為是天氣瓶的創始者。Fitzroy 的描述如下：
1. 如果天氣瓶中的液體澄清，是晴朗的好天氣。
2. 如果液體為雲狀（cloudy），那麼天氣多雲並可能降雨。
3. 如果液體中有點狀的固體，則天氣可能會潮濕或多霧。
4. 液體為雲狀並有星狀小結晶，表示會有雷雨。
5. 在冬天有陽光的時候，如果液體中有小星狀結晶，那麼表示將要下雪。
6. 如果有大片的結晶分佈，那麼可能為陰霾天氣（下雨或下雪）。 7. 瓶子底部有結晶，為低溫寒冷的天氣。
8. 瓶子頂部有絲狀結晶，將是颳風的天氣。
Fitzroy 以上的描述，並未獲得明確的驗證。另一方面，目前天氣瓶的配方與 McConnell
（2006）提及的早期配方並不相同，但是都包含溶解樟腦的酒精溶液以及溶解鹽類的水 溶液。
（二）天氣瓶內形成結晶的原理
樟腦（C10H16O）為白色固體，易溶於酒精而不易溶於水。Mjojo（1979）的 研究指出樟腦的結晶有三種相，在室溫時為「六方晶系（hexagonal crystals）」，似雪花的 結晶。而硝酸鉀、氯化銨則易溶於水，並隨著溫度而改變溶解度，溫度越高溶解度則越 大。（許良榮－台灣化學教育）
（三）天氣瓶的製作過程
天氣瓶的製作過程與化學藥劑配方如下：
1. 分別秤取 2.5 g 硝酸鉀（KNO3）以及 2.5 g 氯化銨（NH4Cl），加入 33 mL 蒸餾水中。
2. 秤取 10 g 樟腦（Camphor，C10H16O），加入 40 mL 乙醇（酒精）中。
3. 將上述二步驟的溶液互相混合在錐形瓶中（會形成白色沉澱的溶液），然後將錐形瓶 以橡皮塞密封。
4. 完成後，將混合溶液放置於 35℃溫水中水浴（隔水加熱）並輕輕搖晃，白色沉澱會 逐漸溶解，約 20 分鐘後形成澄清透明溶液。
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目前有關於天氣瓶結晶的研究，會在調製天氣瓶中內含的化學藥劑比例上有所調整，
來探究其溫度與結晶的變化，也是本次科展研究的探討主題與重點。
（四）天氣瓶的商機
網路上進行天氣瓶購買的價錢的蒐尋，其造型有各式各樣，有些作成吊飾，有的可 以擺在桌上當擺飾品或夜燈，天氣瓶的商品琳瑯滿目(如下圖一、A-D)，發現新台幣約 在 200 元到 2000 元不等，甚至有標示日本進口限量具有紀念價值的天氣瓶，竟然要價到 3000 至 10000 元左右。其實真正的原料只需到化工材料行購買，瓶身可以用家中隨手可 得的玻璃瓶即可，若是動手 DIY 自己調配製作，實際的花費卻是百元有找。
圖一、A：鑰匙吊 飾
圖一、B：
項鍊
圖一、C：六色試管天氣瓶 圖一、D：日本天 氣瓶
（四）歷屆全國科展中，研究天氣瓶的相關作品
在全國科展中，我們查到了與天氣瓶研究有關的兩件作品，分析如下：
歷屆作品 作品內容 分析
第 55 屆國中組
晶奇再現－天氣瓶的結 晶探討與改良
以改變天氣瓶的物質，來 發現不同天氣瓶的內容 物溶劑比例對析出溫度 有規則性，做出各有特色 的天氣瓶。
多溶質溶液與低介電常數溶 劑對我們來講，較為困難，很 多方面的知識我們較為不 足，因此，我們沒有用多溶質 溶液與低介電常數溶劑來製 作風暴球並更改。
第 55 屆國中組
寒暖霜晶透春秋～探索 天氣瓶
對風暴球進行微觀、觀 察、與 x 光檢測。藉由自 製風暴球來進行結晶因 素的探討並發現結晶變 化只與溫度、溫度下降速 率有關。
這件作品主要探討天氣瓶成 分的比例，酒精中加入了丙 酮，並且增加了鹽類等各種物 質，也找出每一種物質對配方 溶液的影響。
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二、實驗流程
三、結晶狀態說明(圖請參閱附件一)
圖二、A：羽毛狀 圖二、B：雪花狀 圖二、C：棉絮狀
圖二、D：片狀 圖二、E：棉花狀 圖二、F：球狀
天氣瓶
實際觀察天氣 瓶內結晶型態
天氣瓶內結晶型態與實際氣溫的關係
不同樟腦含量與天氣瓶內結晶型態的關係
模擬實驗
不同溫度下，天氣瓶內結晶的高度有何不同
將天氣瓶降溫後，觀察結晶情形？
將天氣瓶放入冰箱後，結晶型態會如何改變
改變磁場是否會影響天氣瓶的結晶過程或型態？
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四、實驗過程、步驟與結果：
想法：從資料上得知原本天氣瓶的配方不適合台灣的氣候，網路中有人提議可以減少樟 腦含量以搭配台灣的氣候，因此我們決定，透過減少不同的樟腦含量來觀察紀錄 與實際天氣狀況的關係。
(一) 實驗變因
1. 操作變因：不同的樟腦含量
2. 保持不變的變因：天氣瓶的樣式、內含物質的成分比例、放置環境 3. 應變變因：天氣瓶中的結晶狀況
(二) 研究步驟 1.製作天氣瓶
(1)取 2.5 克的硝酸鉀與 2.5 克的氯化銨加入 33 毫升的水中，製作成 A 溶液。
(2)分別取 8、8.5、9、9.5、10 克的樟腦粉加入 40 毫升的酒精中，製作成 B 溶液。
(3)將 A 與 B 溶液混合後，置於 40℃的水中，待溶液澄清後裝入試管中密封，即 完成天氣瓶。同樣的成份製作兩支。
2.將天氣瓶放置在陰涼處，連續觀察 2 個月，紀錄所見的結果。
(1)以每日特定的時間觀察天氣瓶結晶的變化。
(2)如有異狀，要特別觀察或紀錄詳細。
圖 1-1：配製好的天氣瓶 圖 1-2：結晶的狀況
圖 1-3：將尺放在天氣瓶後面，進行結晶高度的測量 圖 1-4：記錄結晶形狀 實驗一、不同樟腦含量的天氣瓶與實際氣候的關係
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(三) 研究結果統計表(分 8g、8.5g、9g、9.5g、10g)五個統計表 表 1-1：天氣瓶（樟腦粉 8g）於室溫下觀察記錄結晶型態
觀察到的室溫 (℃)
觀察到此室溫 的天數(day)
平均高 度(cm)
結晶形狀 其它
12℃ 1 8.65 羽毛狀、雪花狀 羽毛狀結晶斜斜排 列。
13℃ 1 5.30 羽毛狀 有浮冰。
15℃ 1 5.15 羽毛狀、棉花狀 棉花狀結晶多，棉花 狀結晶鬆散。
16℃ 2 4.09 羽毛狀、棉花狀 上處有漂浮結晶，底 部結晶凝結。
17℃ 4 3.78 羽毛狀、棉花 狀、片狀
羽毛狀結晶在外圍，
中間是棉花狀結晶。
18℃ 4 2.78 羽毛狀、片狀 所有結晶混合。
19℃ 1 2.60 羽毛狀 羽毛狀結晶較蓬鬆。
20℃ 1 2.50 棉花狀 21℃ 2 2.33 棉花狀 24℃ 1 2.23 棉花狀 25℃ 3 2.10 棉花狀 29℃ 1 1.60 棉花狀
30℃ 1 1.10 棉花狀 棉花狀結晶沉在下
處。
表 1-2：天氣瓶（樟腦粉 8.5g）於室溫下觀察記錄結晶型態 觀察到的室溫
(℃)
觀察到此室溫 的天數(day)
平均高 度(cm)
結晶形狀 其它
12℃ 1 8.95 羽毛狀、片狀、
雪花狀
有雪花狀結晶漂浮。
13℃ 1 5.90 羽毛狀、雪花狀 雪花狀結晶漂浮。
15℃ 1 5.55 羽毛狀、片狀 羽毛狀結晶斜斜排 列，結晶鬆散。
16℃ 2 4.94 羽毛狀、棉花狀 三個羽毛狀結晶合為 一體，似片狀結晶。
17℃ 4 4.05 羽毛狀、片狀、
棉花狀
棉花狀結晶纏附在片 狀結晶上。
18℃ 4 3.58 羽毛狀 羽毛狀結晶較密集。
19℃ 1 3.20 羽毛狀 結晶隨意散布。
20℃ 1 2.80 棉花狀
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21℃ 2 2.55 棉花狀 羽毛狀結晶細小，似 棉花狀結晶。
24℃ 1 2.40 棉花狀
25℃ 3 2.20 棉花狀 結晶沉於下處。
29℃ 1 1.85 棉花狀 結晶沉到下處。
30℃ 1 1.40 棉花狀 結晶沉到下處。
表 1-3：天氣瓶（樟腦粉 9g）於室溫下觀察記錄結晶型態 觀察到的室溫
(℃)
觀察到此室溫 的天數(day)
平均高 度(cm)
結晶形狀 其它
12℃ 1 9.60 羽毛狀、片狀 13℃ 1 6.10 羽毛狀
15℃ 1 5.90 片狀 羽毛狀結晶斜斜排
列。
16℃ 2 5.10 羽毛狀、棉花狀 棉花狀結晶似片狀，
但有分岔
17℃ 4 4.61 羽毛狀、棉花狀 所有結晶混合。
18℃ 4 4.05 羽毛狀、棉花狀 棉花狀結晶佈滿絲。
19℃ 1 4.63 棉花狀、羽毛 狀、片狀
棉花狀結晶閃亮，呈 顆粒狀。
20℃ 1 4.65 棉花狀、羽毛 狀、片狀
有浮冰。
21℃ 2 2.70 棉花狀 底部結晶有點透明。
24℃ 1 2.30 棉花狀 底部結晶沒有凝結，
但顏色暗沉。
25℃ 3 2.20 棉花狀 結晶沉於下處。
29℃ 1 1.70 棉花狀 結晶沉於下處。
30℃ 1 1.55 棉花狀 結晶沉於下處。
表 1-4 天氣瓶（樟腦粉 9.5g）於室溫下觀察記錄結晶型態 觀察到的室溫
(℃)
觀察到此室 溫的天數
(day)
平均高 度(cm)
結晶形狀 其它
12℃ 1 9.60 羽毛狀、片狀、
球狀、棉花狀
結晶量很多，多種形 狀結合。
13℃ 1 6.40 羽毛狀、棉花狀 15℃ 1 6.05 羽毛狀、片狀、
棉花狀
羽毛狀和棉花狀結晶 混合。
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16℃ 2 5.25 羽毛狀、棉花狀 17℃ 4 5.04 羽毛狀、球狀、
棉花狀
羽毛狀和棉花狀結晶 包圍片狀結晶。
18℃ 4 4.63 羽毛狀、片狀、
棉花狀
所有結晶混合，鬆 散。
19℃ 1 4.35 羽毛狀 20℃ 1 4.10 羽毛狀 21℃ 2 3.73 棉花狀 24℃ 1 2.30 棉花狀
25℃ 3 2.65 棉花狀 結晶沉於下處。
29℃ 1 2.10 棉花狀 結晶沉到下處。
30℃ 1 1.65 棉花狀 結晶沉到下處。
表 1-5：天氣瓶（樟腦粉 10g）於室溫下觀察記錄結晶型態 觀察到的室溫
(℃)
觀察到此室 溫的天數
(day)
平均高 度(cm)
結晶形狀 其它
12℃ 1 10.90 羽毛狀、棉花狀 羽毛狀結晶交挫不齊 13℃ 1 10.10 羽毛狀 有浮冰。
15℃ 1 7.90 羽毛狀、雪花狀 羽毛狀和棉花狀結晶 混合且散開。
16℃ 2 6.85 羽毛狀、棉花狀 許多棉花狀結晶合為 一體。。
17℃ 4 6.53 羽毛狀、片狀、
球狀、棉花狀
球狀結晶尖尖的，有 點分散。
18℃ 4 6.20 羽毛狀、棉花狀 片狀結晶上有羽毛狀 結晶的壓痕。
19℃ 1 6.30 棉花狀、羽毛 狀、片狀
有一個片狀結晶閃閃 發亮。
20℃ 1 5.53 羽毛狀、片狀、
棉花狀、
21℃ 2 4.25 羽毛狀、棉花狀 棉狀結晶佈滿絲。
24℃ 1 2.73 棉花狀 上層的棉花狀結晶閃 亮透明，沒有固定。
25℃ 3 2.50 棉花狀 結晶沉於下處。
29℃ 1 2.10 棉花狀 結晶沉到下處。
30℃ 1 1.90 棉花狀 結晶沉到下處。
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圖 1-5：18℃時，樟腦量對天氣瓶結晶高度的影響
圖 1-6：樟腦含量為 10 克時，不同氣溫對天氣瓶結晶高度的影響 由上面的圖表我們可以發現：
1.在同一溫度下比較不同樟腦克數所產生的結晶效果，發現樟腦數量越多時，在相同溫度 下，產生的結晶會越多。
2.在樟腦克數量固定時比較不同溫度所產生的結晶效果，發現溫度越高，結晶高度越低，
產生的結晶越少，相反則溫度越低，結晶高度越高，結晶的量也越多。
0 1 2 3 4 5 6 7
8g 8.5g 9g 9.5g 10g
結 晶 高度(
公 分)
樟腦粉含量
樟腦量對天氣瓶結晶高度的影響
結晶平均高度
0 2 4 6 8 10 12
12℃ 13℃ 14℃ 15℃ 16℃ 17℃ 18℃ 19℃ 20℃ 21℃ 22℃ 23℃ 24℃ 25℃ 26℃ 27℃ 28℃ 29℃ 30℃
結 晶 高 度( 公分)
氣溫
不同氣溫對天氣瓶結晶高度的影響(cm)
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想法 ：由於我們很難控制氣溫，所以我們決定以學校有的設備水浴槽來改變環境的溫 度，將天氣瓶放入水中來完成這項實驗。
(一) 實驗變因
1.操作變因：水浴中的溫度(設定的溫度範圍在 15~39℃) 2.保持不變的變因：天氣瓶、水浴槽、樟腦份量。
3.應變變因：天氣瓶中的結晶高度 (二)研究步驟
1. 製作天氣瓶
(1)取 2.5 克的硝酸鉀與 2.5 克的氯化銨加入 33 毫升的水中，製作成 A 溶液。
(2)取 10 克的樟腦粉加入 40 毫升的酒精中，製作成 B 溶液。
(3)將 A 與 B 溶液混合後，置於 40℃的水中，待溶液澄清後裝入試管中密封，即 完成天氣瓶。
(4)以上步驟重複做四支，最後取平均值。
2.將天氣瓶放入水浴機中，分別調製 15、18、21、24、27、30、33、36、39℃的不同 的水浴環境。
3.分別將四支相同濃度的試管放入水浴中，20 分鐘後，拿出做為觀察記錄。
圖 2-1：水浴槽
圖 2-2：將天氣瓶放入水浴中 圖 2-3：進行觀察記錄 圖 2-4：量測結 晶高度
實驗二、不同溫度對天氣瓶結晶高度的影響
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(三) 研究結果
表 2：不同水溫下，天氣瓶結晶高度的觀察記錄
結晶高度(cm) 水溫(℃)
甲 乙 丙 丁 平均值
15 9 9.2 9.3 9.5 9.25 18 7.7 8 8.5 8.2 8.1 21 7.5 7.5 7.6 7.5 7.55 24 6.4 6.5 6.7 6.5 6.525 27 5 5.7 5.8 5.3 5.45 30 4.2 4.5 3.7 4.2 4.15
33 2 2 1.5 1.7 1.8
36 0.7 0.6 0.5 0.5 0.575
39 0 0 0 0 0
圖 2-5：水溫對天氣瓶結晶高度的影響 根據實驗結果，我們發現：
1. 溫度與天氣瓶的結晶高度變化有存在關聯性。
2. 隨著溫度升高，天氣瓶中的結晶量會逐漸變少。
3. 每隔 3℃天氣瓶中的結晶都有產生變化。溫度到達 39℃時完全沒有結晶產生。
4. 從水浴槽中拿出來的天氣瓶，多半都形成棉花狀，因為溫度在短時間的改變很快，
所以天氣瓶來不及結晶。
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
15℃ 18℃ 21℃ 24℃ 27℃ 30℃ 33℃ 36℃ 39℃
形成結晶的平均高度(cm)
溫度 (C)
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想法：於實驗二我們發現，天氣瓶由水浴中拿出來後，溫度一下降，就會開始結晶，因 此我們想了解當天氣瓶開始降溫後結晶變化的情形。
(一) 實驗變因
1.操作變因：環境溫度下降的程度
2.保持不變的變因：天氣瓶的形狀大小、內含物質的成分比例。
3.應變變因：天氣瓶中的結晶高度變化 (二)研究步驟
1.製作兩瓶天氣瓶編號為甲、乙。
2.將甲、乙兩瓶放置於 40℃的水浴槽 20 分鐘。
3.等溶液完全溶解後，取出天氣瓶，放至在燒杯內，燒杯內的水為水浴槽中的水，
此時水溫與試管中會達到熱平衡，量測燒杯中的水溫即可知道試管中的溫度，藉 此觀察溫度下降與結晶變化的情形。
(三)研究結果 記錄
溫度
記錄時間 照片
(取出拍照與量測)
結晶高 度（cm）
狀況說明
40℃ 11：30 0 清澈無任何結晶。
圖 3-1：降溫用水浴裝置 圖 3-2：以溫度計量測燒杯中的溫度 實驗三、天氣瓶降溫後結晶狀況的觀察
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39℃ 11：36 0.1 瓶中與底部開始出現少許雪花
狀結晶。
38℃ 11：35 0.5 瓶底出現霧霧的現象、雪花狀結
晶從底部開始增多。
36℃ 11：43 0.7 雪花狀結晶在瓶中形成，並直直
的往下掉。
35℃ 11：45 0.8 底部結晶堆積成山坡狀，有些雪
花狀結晶漂浮在瓶中。
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34℃ 11：50 1 底部結晶變多，有雪花狀結晶漂
浮在瓶中。
33℃ 11：51 1.1 像下雪一樣的雪花狀結晶慢慢
的飄下，底部結晶有高低起伏的 狀態。
32℃ 11：55 1.2 雪花狀結晶慢慢堆積成小山坡
狀，還有很多結晶慢慢飄落到瓶 底。
31℃ 11：59 1.5 底部的雪花狀結晶凸起，雪花狀
結晶慢慢增多。
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30℃ 12：08 1.7 雪花狀結晶形成後由上而下落
下，結晶沉降到瓶底，而且大量 增多。
29℃ 12：10 2.0 在溶液上層出現浮冰，雪花狀結
晶有很多，但是飄落速度變慢。
28℃ 12：15 2.0 幾乎沒有變化，底部結晶增加的
不明顯，上方雪花狀結晶變較小 也較少。
27℃ 12：16 2.7 明顯的雪花狀結晶漸漸落下，聚
集在瓶底。瓶底明顯可以看到結 晶的堆積。
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26℃ 12：28 4.0 有結晶飄浮在溶液上，雪花狀結
晶緩緩飄落。
25℃ 12：36 6.0 漂浮在溶液上的結晶增多，雪花
狀結晶變多。
24℃ 12：59 12.2 有一個結晶在呈現倒三角，天氣 瓶裡的結晶很多，幾乎快要佔滿 整個瓶子了。
觀察記錄：我們將結果用縮時攝影做記錄，由影片中我們可以發現 1 .剛開始整罐天氣瓶呈現清澈透明。溫度逐漸下降後有結晶析出。
2.天氣瓶會由上產生雪花狀結晶並落下至底部。
3.過 20～30 分鐘後，水面上會出現雪花狀結晶。
4.雪花狀結晶會持續落下直至碰到底部的結晶後停止
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想法：因為我們想要知道寒冷的氣溫，對天氣瓶是否會有影響，因為我們身處於亞熱帶 地區，在平地不容易看到下雪的狀況，因此我們決定將天氣瓶放入冰箱後作觀察。
(一)實驗變因
1.操作變因：較寒冷的溫度(冰箱冷凍及冷藏)
2.保持不變的變因：天氣瓶的形狀大小、內含物質的成分比例。
3.應變變因：天氣瓶中的結晶狀況 (二)研究步驟
1.先調製天氣瓶
(1)取 2.5 克的硝酸鉀與 2.5 克的氯化銨加入 33 毫升的水中，製作成 A 溶液。
(2)取 10 克的樟腦粉加入 40 毫升的酒精中，製作成 B 溶液。
(3)將 A 與 B 溶液混合後，置於 40℃的水中，待溶液澄清後裝入試管中密封，即 完成天氣瓶。同樣的成份製作四支。
2.分別放入冷藏和冷凍。放置約 20 分鐘，並加以等待。
P.S：實驗進行之前，以相同的裝置用水取代天氣瓶的內容物放入冰箱中冷卻過，實 驗發現差不多在 12-15 分鐘的時候，水溫就降到與冰箱中相同的溫度。也試過 在冷凍冰 30 分鐘以上，瓶中會出現一些碎冰而影響我們的觀察，因此我們討 論後決定以 20 分鐘為原則，放入冰箱中後觀察天氣瓶的結晶狀況。
3.由冰箱取出後觀察記錄天氣瓶結晶狀況的改變。
(三)研究結果
表 4：天氣瓶放入冰箱 20 分鐘後結晶狀況的觀察紀錄
環境 照片 最高高度 最低高度 平均高度 結晶狀 態
其他
冷藏 (8℃)
12.7cm 12.0cm 12.4cm 棉絮狀 結晶形狀和以前的 不一樣。從冷藏拿出 來後結晶開始下降。
冷凍
（－15℃）
12.7cm 12.4cm 12.5cm (幾乎全 滿)
棉絮 狀、浮冰
結晶形狀和以前的 不太一樣且天氣瓶 結晶幾乎全滿。從冷 藏拿出來後結晶開 始下降。
根據實驗結果，我們發現：
1. 不論是從冷藏或冷凍中拿出來後，結晶瓶裡的結晶均迅速下降沉澱。所以我們拿出來 後立刻進行測量及觀察。
2.冰過 20 分鐘後，我們可以發現冷凍的結晶量比冷藏的結晶量還要多，因為看起來比較 比較白，因此我們判斷結晶量比較多。
實驗四、放入冰箱對天氣瓶結晶的影響
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想法：我們從資料上看到有科學家認為天氣瓶的結晶變化會受到地磁的影響，但是我們 無法改變地球上的地磁，因此我們決定利用磁鐵來模擬地球上的磁場，同時設計 一個與地球相反的磁場，藉此以觀察不同方向的地磁與天氣瓶的結晶變化有何相 關。
(二) 實驗變因
1.操作變因：磁鐵的擺放位置(以模擬不同的磁場)
2.保持不變的變因：天氣瓶的形狀和大小、內含物質的成分比例。
3.應變變因：天氣瓶中的結晶變化 (二)研究步驟
1.準備六瓶天氣瓶，編號為甲、乙、丙、丁、戊、己
2.將六瓶天氣瓶一同放入 39℃的水浴槽中藉此讓天氣瓶內部完全溶解溶液澄清。
3.將六瓶天氣瓶分為三組，一組與地磁相符，一組東－N 極、西－S 極，一組東－S 極、西－N 極，放置於正常環境中與另兩組進行對照。
4.靜置一天後比較六瓶天氣瓶的結晶變化差異。
圖 5-1：東-N 極、西-S 極放置的天氣瓶 圖 5-2：東-S 極、西-N 極放置的天氣瓶
圖 5-3：正常磁場環境下放置的天氣瓶 實驗五、磁場對天氣瓶結晶的影響
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(三)研究結果
圖 5-4：東-N 極、西-S 極結晶情形 圖 5-5：東-S 極、西-N 極結晶情形
圖 5-6：正常磁場環境結晶情形
表 5：磁鐵形成的磁場環境對天氣瓶結晶型態的觀察記錄 磁場環
境
天氣瓶 編號
最高 高度
(cm) 最低高
度(cm)
平均高 度(cm)
結晶狀態 其他
與地磁 相符
甲 10.3 10 10.15 棉花狀
許多的棉花狀結晶聚 集，水面有漂浮結晶。
乙 11 10.7 10.85 棉花狀 許多的棉花狀結晶聚 集，水面有漂浮結晶。
東-Ｎ極 西-Ｓ極
丙(S) 10.3 10 10.15 棉花狀、
雪花狀
棉花狀結晶慢慢堆積，水 面上有漂浮雪花狀結晶。
丁(N) 10.5 10.3 10.4 棉花狀 棉花狀結晶由下面一一 疊上，水面上有漂浮結 晶。
東-S 極 西-N 極
戊(N) 10.5 9.4 9.95 棉花狀 許多的棉花狀結晶堆 積，水面有漂浮結晶。
己(S) 9.5 9.3 9.4 棉花狀、
雪花狀
棉花狀結晶慢慢堆積，水 面上有漂浮雪花狀結晶。
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我們發現:
1. 由實驗五發現，因為六瓶結晶的高度都在 9-11 公分之間，每一組中靠近 N 極的與靠 近 S 極的試管結晶高度並沒有太大的不同，而且三組實驗中磁場的變化也沒有造成 差異，因此我們認為地磁並不會影響天氣瓶中的結晶變化。
伍、討論
一、天氣瓶裡的結晶和樟腦的份量和天氣狀況有什麼關聯？
我們發現當溫度低時較容易成現出羽毛狀；相反的溫度高時則會成現較小
的羽毛狀，然而我們也觀察到天氣瓶放久後效果比較不好。另外因為臺灣的天氣差異不 大(短時間內氣溫改變不明顯)，也沒有較特殊的天氣變化，因此無法觀察到天氣瓶內結 晶的現象有太大的改變。
在搜尋有觀天氣瓶的文獻資料裡，有部分的網站資料和其它作品中提及「天氣瓶內 的結晶狀況和樟腦的數量並沒有太大的相關性，並不能有效預測天氣，最多可以當為一 個很粗略的溫度計，以及漂亮的裝飾品。」
但我們實際製作調配、操作實驗後發現：在同一個溫度下，比較不同樟腦克數量的 天氣瓶所產生的結晶變化，統計資料顯示---樟腦的分量越多，結晶的量也會越多。且發 現在同克數的樟腦天氣瓶中，其結晶的現象隨著溫度的高低而結晶表現也有所改變，溫 度越低，樟腦結晶的量就越多，相對的，溫度越高，樟腦結晶的量就越少。
二、為什麼很多資料說明要適合台灣的天氣瓶要降低樟腦的含量呢？
原本要看到美麗的結晶需要加許多樟腦，才能讓樟腦因為溫度的差異造成溶解不同 而改變它的結晶狀況，但依台灣的氣候觀察，會造成天氣瓶中樟腦的沉澱量變成相當多，
因此產生的結晶不但不好觀察，而且還會很難看出結晶的形狀不同，所以需要減少樟腦 的量才能讓人好觀察天氣瓶中樟腦的結晶差異變化。
三、為什麼實驗二、三、四、五看到的結晶都只有雪花狀或棉花狀呢？
在實驗中，因為節奏較快速，溫度的變化改變較快，當溫度變化下降的速率較快時，
樟腦迅速產生小的晶核而分別結晶我們稱為雪花狀結晶。因為地心引力的關係雪花狀結 晶落在底部時，我們稱為棉花狀結晶。但若是溫度的變化與天氣變化一樣，改變的速度 較慢時，樟腦的沒有由液體中直接產生晶核時，結晶會由底部的結晶以擴散的方式向上 向側成長，這種晶型我們稱為羽毛狀結晶、片狀或球狀結晶。在實驗四中，我們將天氣 瓶放入冰箱中，在急速改變溫度的狀態下，天氣瓶內的樟腦迅速的結晶，產生的結晶會 比先前看到的小很多，很像棉絮一樣，因此我們取名為棉絮狀結晶。
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四、為什麼實驗一和實驗二同樣為溫度對天氣瓶結晶的影響，但實際觀測出來天氣瓶結 晶的高度卻有相當大的差異？
舉例來說：在 18℃時，在實驗一中實際觀測平均為 6.2cm，但實驗二測得高度為 8.1 cm。我們討論發現原因為實驗一的天氣瓶是放置於固定位置，長時間做天氣溫度與結晶 高度的觀察，其中以 18℃的狀況(樟腦含量相同)作為解釋，根據四天觀察到的實際數據 依序為 8.4cm、7.35 cm、4.65 cm、4.4 cm，結晶高度受到時間的影響很大，原因可能是當 長時間處於靜止狀態時，結晶會受到地心引力的影響而變的較緊實，因此高度會減少。
我們查了一些資料發現溫度反覆的升降，也會使結晶高度有逐漸變小的現象產生，至於 這實際的原因文章並沒有作說明。至於實驗二的天氣瓶是當天製作完畢就立刻接著操作，
因此，天氣瓶呈現出來的高度較為一致，沒有發生上述的問題。
五、有文獻指出天氣瓶可能與地球的磁場有關，但是與我們做出來的結果不同，原因為 何？
答：我們推測這可能與製作天氣瓶的材料與器材有關，因為製作天氣瓶的材料並沒有可 被磁力影響的物質，因此不會受到磁力的影響。
六、為什麼有觀測到下雨時有出現雪花狀的結晶？
答：因為下雨時，溫度會突然降低一點，使瓶中產生少量雪花狀的 結晶，這和文獻中說明當液體出現雲狀並有星狀小結晶，表示 會有雷雨的狀況是相同的， 原因都可能是因為溫度的忽然下降 所造成的。
圖 6：下雨時觀察到 的現象
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陸、結論
（一）天氣瓶的結晶高度會受到溫度的影響：當溫度越低時，天氣瓶的結晶越多，結晶 的高度也越高；當溫度越高時，天氣瓶的結晶越少，結晶的高度也越低。本實驗 配置的天氣瓶經過測試，在-15℃~36℃之間均有結晶的產生。
（二）樟腦粉的含量會影響結晶的情形：天氣瓶配置中若加入的樟腦粉量較多時，在相 同溫度下，會有較多的結晶產生；反之，樟腦粉含量越少，結晶的量也相對減少。
我們查到很多資料均是以2.5 g硝酸鉀（KNO3）以及2.5 g氯化銨（NH4Cl），加入 33 mL蒸餾水中調製的A溶液，再加上10g的樟腦粉溶於40mL的酒精中所調製的B 溶液所混合而成的。實驗中我們降低了樟腦的含量，期望能看到「漂亮」的結晶。
其實在實驗中我們也有調高樟腦粉的量(並未在報告中呈現)，但是因為這次實驗 普遍觀察到的溫度都偏低，提高樟腦粉的效果並不佳，試管中的結晶量太多，反 而不利我們的觀察，因此我們建議，若觀察溫度皆高於20℃時可調高樟腦的含量 以利觀察天氣瓶結晶的情形。
（三）結晶的型態會受到溫度改變的快慢影響：很多文獻中提到「漂亮」的結晶，其實 指的是我們這篇所定義的羽毛狀、片狀、球狀結晶，經過我們長時間的觀察，當 溫度由高慢慢變低時，這些形狀的結晶最容易出現，因為樟腦會因會溫度低而慢 慢地析出，結晶就像慢慢長出來一樣。若是溫度突然下降，例如下雨時，天氣瓶 中會出現雪花狀結晶，由瓶中緩緩下降，如同下雪一般美麗。但是實驗中我們也 發現若是溫度改變得很迅速，降溫或升溫速度較頻繁時；天氣瓶的結晶通常為棉 花狀或是棉絮狀(結晶很小，幾乎看不出結晶的型態)。
（四）天氣瓶受到磁場的影響不大：雖然我們在查詢資料的時候有看見科學家提出天氣 瓶會受到地球磁場的影響，但是經由我們的實驗發現，天氣瓶受天氣的變化影響 比較大，與磁場較沒關係，也或許是我們自製的環境不夠精準，所以沒有發現科 學家所說的現象。
柒、研究心得
學生 A：
今年，剛升上四年級的我，加入了科展團隊，對於要探討的主題，我們試了很多，
最後決定研究之前老師上課時介紹過的天氣瓶。我們只見過有著漂亮結晶的瓶子，但對 於化學的部分，也只略知一二，根本聽不懂那些複雜的藥劑名稱。
過了不久，我從一個「化學白癡」，成了一個對化學有另外一些認識的人，而我也 在實驗中，吸收了一些對天氣瓶的常識，像是天氣瓶的結晶會隨著溫度的起伏而有高低 的變化，又或者是天氣瓶中的樟腦份量會影響結晶狀況。在過程中，我學到了許多新鮮 事，也更深的感受到大家對實驗的熱忱。在各種實驗中，我也要感謝老師不辭辛勞的用 心栽培我們。參加了科展，使我更加的體會到團結力量大的道理，所有的實驗不是只靠 一個人就能夠完成的，「我們是只有一隻翅膀的天使，唯有彼此搭配，才能展翅高飛」，
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這句話就是我現在的感受了。
經由七個多月以來，我們終於完成了實驗，這是我的第一篇報告，希望我們所有 的努力，能結出和天氣瓶一樣美麗的結晶。
學生 B：
之前因為姊姊有參加過科展，當她在跟媽媽討論科展時，我心裡頭十分納悶，不 知道科展是什麼？所以我決定今年參加看看，才發現科展並不簡單。從想題目、研究方 向開始，就完全摸不著頭緒。但是經過多次的主題更換與討論，我逐漸對科展有更深的 了解。這次我們選定的主題是天氣瓶的研究，探討這個主題非常有趣，在做天氣瓶的過 程中，不但讓我學到了一些藥品的名稱，也讓我了解團結的偉大。我還認為要交出一篇 好的科展報告需要具備許多能力，要有可以計算數據的數學能力，也要有可以寫出報告 的語文能力，更要有豐富的自然知識，在這些學習的過程中，我覺得我每項能力都進不 了。最後我要感謝一直陪伴我做科展的老師和同學們，謝謝你們！
學生 C：
我在這次的實驗中，學到了做每一樣事都必須小心的完成。更覺得做實驗並不簡 單，因為要做實驗、記錄、打報告書……等。但是科展讓我學到許多豐富的知識，也讓 我得到科學家的精神，讓我對自然更加有自信了。
學生 D：
在這次的科展主題我們做了一系列天氣瓶的實驗，天氣瓶是由氯化銨、硝酸鉀、樟 腦粉、酒精、純水的材料做成的。探究過程當中，我學習到如果氣溫較高，天氣瓶的結 晶會很少；相反的，如果氣溫較低，天氣瓶的結晶就會很多。若放太久結晶會變得密集；
如果是剛做好的結晶則呈現蓬鬆的樣子。結晶的形狀會隨著溫度有改變，分有雪花狀、
棉花狀、羽毛狀、球狀…等。羽毛狀是經過長時間生成而來的或是由雪花狀結晶堆積而 成。天氣瓶每隔 3℃其結晶就會有改變，如從水浴槽中拿出來的大多都會形成棉花狀或 完全沒有結晶；如果是下雨天就會出現雪花狀結晶。天氣瓶的結晶真的好有趣。藉由科 展的主題探究，我學習到學校沒有教過的知識，雖然常常要花掉很多課外的時間，也會 覺得很累，但是這些過程非常的有意義，學體會了和同學合作的快樂，也學到要努力的 付出，才能享受甜美的果實。
學生 E：
經過一連串的科展組訓，我經歷了不同樣的學習體驗，也學到了不同的知識。每一 個過程都很有趣，令我印象深刻的就是要動手做實驗了，曾經不小心打破天氣瓶，造成 實驗都要全部重來，很麻煩！實驗的過程大家要分工合作，不能吵架。為期將近半年的 科展組訓很開心可以和大家一起專心的做實驗，這是我最美好的經驗，也讓我成長不少，
下次的科展探究我一定還要再參加。
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學生 F：
這次有機會和大家學習分工合作來學習，都是多虧了今年的科展。起初，我們還在 傷腦筋要做什麼題目呢？經過了大家熱烈的討論過後，我們決定要做美麗的天氣瓶結晶 觀察，材料有：樟腦、氯化銨、硝酸鉀…等，也需要用到的實驗器材有：水浴槽、玻璃 試管…等。讓我從無趣的四年級生活中找出一份對科學的熱情，讓我迫不及待能開始做 實驗了。
我們進行天氣瓶與天氣變化的觀察記錄，實驗將天氣瓶放入冷藏和冷凍的實驗，並 觀察和地慈會不會對天氣有影響…等實驗設計。令我印象深刻的一次觀察是天氣瓶降溫 的過程，剛開始是透明的樣子，在瓶子的底部會慢慢會有一些結晶產生，也會起霧，最 後，隨著溫度越來越低，而結晶越來越高，真是有趣呢！
從這次的實驗中，我學習到天氣瓶不能夠準確的預測天氣，只能用來檢測當下的溫 度到底冷不冷，除了這個之外，我也學習到許多科展有關的科學實驗設計的過程，變得 很會做實驗，真的很開心能加入科展。
捌、參考資料
一、吳昕諾;陳姿吟;黃靖雯(2015)晶奇再現－天氣瓶的結晶探討與改良。第 55 屆全國中 小學科展國中組
二、黃奕愷;邱正標;謝秉均(2015)。寒暖霜晶透春秋～探索天氣瓶。第 55 屆全國中小學 科展國中組
三、賽先生的科學玩具網 http://www.mr-sai.com/web/construction.php 四、許良榮(2015)。改良式天氣瓶 http://chemed.chemistry.org.tw/?p=6866 五、臺中教育大學 NTCU 科學遊戲實驗室：天氣瓶
http://www.ntcu.edu.tw/scigame/chemistry/chemistry-033.html
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附件一：結晶型態
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附件二：不同溫度下，天氣瓶的觀察紀錄(因資料很多，僅附上三筆資料作為代表,其於 部份請參考筆記)
105 年 1 月 15 日 16 時 0 分 天氣:晴天 氣溫:18℃
樟腦 量
結晶高度 結晶形狀 其他發現
最高(cm) 最低(cm) 平均 8g 4.2 4
4.20
羽毛狀、片 狀
所有種類的結晶全都混合，下層結 晶凝結且閃閃發亮。
4.7 3.9
羽毛狀
兩種結晶混合，下層的結晶緊，上 層結晶鬆。8.5g 4.2 3.6 4.30
羽毛狀
樹枝結晶在上，羽毛狀結晶在下，底部結晶凝結且閃閃發亮。
5.5 4 羽毛狀 結晶隨意散布，非常蓬鬆。
9g 5.5 4.5
5.20
羽毛狀、棉花 狀
樹枝結晶不多，散布在外圍，棉花結 晶則在內圈，下層結晶凝結且發亮。
5.7 5.1
羽毛狀
兩種結晶混合，下層結晶凝結且閃 閃發亮。9.5g 5.6 4.7
5.60
羽毛狀
樹枝狀結晶隨意散布，底部結晶凝 結且閃閃發亮。6.3 5.8 片狀、羽毛
狀、棉花狀
片狀結晶聚集在上層，下層聚集棉 花狀結晶，底部結晶凝結。
10g 7.6 7.2
7.35
棉花狀
棉花狀結晶散布開來，底部結晶凝 結且閃閃發亮。7.4 7.2
棉花狀
棉花狀結晶散布開來，底部結晶凝 結且閃閃發亮。27
105 年 1 月 27 日 14 時 10 分 天氣: 晴天 氣溫: 18℃
樟腦量 結晶高度 結晶形狀 其他發現
最高 (cm)
最低 (cm)
平均
8g 3 2.3 2.90
羽毛狀、棉 花狀
羽毛狀結晶在外圍，中間是棉花 狀
，底部結晶凝結且閃閃發亮。
3.5 2.8 棉花狀、片 狀、羽毛狀
羽毛狀結晶在上層散布開來，中 間則是棉花狀結晶，而底部結晶 凝結且閃閃發亮
8.5g 3.8 3.3
3.45
棉花狀、羽 毛狀
所有結晶混合，中、底部結晶凝 結且閃閃發亮。
3.5 3.2 棉花狀、
羽毛狀、片 狀
羽毛狀結晶纏附在片狀結晶上，非 常特別，底部結晶凝結且閃閃發 亮。
9g 4.7 3.6 4.05
棉花狀、羽 毛狀
有些棉花狀結晶異常因為如同 羽毛狀晶瑩剔透，底部結晶凝 結。
4.3 3.6 棉花狀、羽 毛狀、球狀
有些棉花狀結晶和底部一樣，閃 閃發亮。
9.5g 4.6 4
4.30
棉花狀、羽 毛狀
有些棉花狀結晶和底部一樣，閃 閃發亮。
4.7 3.9 球狀、羽毛 狀、棉花狀
由羽毛狀結晶組合而成的球狀 結晶上的羽毛狀結晶，較細小，
底部結晶凝結。
10g 6.5 4.5 4.65 片狀、羽毛 狀
羽毛狀結晶形狀尖尖的，有點分 散，底部結晶凝結且閃閃發亮。
5 4.5 羽毛狀、棉 花狀
水面上有羽毛狀結晶漂浮，底部 結晶凝結。
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105 年 2 月 1 日 12 時 57 分 天氣:陰天 氣溫:18℃
樟腦量 結晶高度 結晶形狀 其他發現
最高 (cm)
最低 (cm)
平均
8g 2.1 1.1 1.55
羽毛狀
羽毛狀結晶細長，在瓶中隨意分 布，非常蓬鬆，底部結晶凝結。
1.6 1.4 羽毛狀、棉 花狀、片狀
羽毛狀結晶細長，備棉花狀結晶 包圍，夾雜在中間的棉花狀結晶 非常緊，片狀結晶的邊和樹枝狀 結晶相似，底部結晶凝結。
8.5g 3.3 2.4
2.85
羽毛狀、棉 花狀
棉花狀結晶（絲）包圍著羽毛狀 結晶，上層的棉花狀結晶蓬鬆，
中層的棉花狀結晶非常緊密，底 部結晶凝結。
3.1 2.6 羽毛狀、棉 花狀
棉花狀結晶（絲）將羽毛狀結晶 包圍，棉花狀結晶蓬鬆，底部結 晶凝結。
9g 3.6 2.8 3.15
羽毛狀、棉 花狀、片狀
羽毛狀結晶又大又細，片狀結晶 不太明顯，好似碎裂，底部結晶 凝結。
3.3 2.9 羽毛狀、棉 花狀、片狀
羽毛狀結晶細長，片狀結晶很 大，且特徵明顯，底部結晶凝 結。
9.5g 3.5 2.7 3.55 羽毛狀、棉 花狀、片狀
羽毛狀結晶堆積在上，片狀結晶 又大又明顯，中間的棉花狀結晶 很緊密，底部結晶凝結。
4.5 3.5 羽毛狀、棉 花狀、片狀
羽毛狀結晶很大，片狀結晶大又 明顯，底部結晶凝結。
10g 4.8 4.5 4.4
棉花狀
棉花在結晶漂浮在上處，非常蓬 鬆，底部結晶凝結。4.9 4.4
棉花狀
在上處的棉花狀結晶非常蓬 鬆，中部的棉花狀結晶很緊密，底部結晶凝結。
