中華民國第 61 屆中小學科學展覽會 作品說明書
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國小組 物理科 (鄉土)教材獎
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「看我的吸星大法」－運用虹吸鐘於發電之探 討
學校名稱：嘉義縣太保市太保國民小學
作者： 指導老師：
小六 王姿尹 小六 賴涵蓉
黃柏鴻 李麗奾
關鍵詞：虹吸現象、虹吸鐘、發電
一、摘要
虹吸鐘裝置常被運用於魚菜共生系統中，本研究將它結合發電模組，發展新型態小型水 力發電的雛形，以下是本研究主要的發現：(1)虹吸鐘裝置之循環可概分為注水、排氣、虹吸 及注氣四個階段。(2)適當的注水速度、略大的虹吸鐘與虹吸管的間隙以及方向垂直的 2 公分 內徑虹吸管較易產生穩定的虹吸現象。(3)加裝注氣管能有效解決注氣階段無法停止的問題。
(4)空氣室高度愈高、虹吸裝置高度愈低、虹吸管愈長可增強虹吸階現象排水沖力。(5)使用 5 片扇葉以及適度彎曲的水輪有利提升發電效益。(6)使用虹吸鐘產生虹吸現象，可推動較大發 電設備，提升發電成效，最後我們建議可以運用虹吸鐘發電於如下圖之降雨或小溝渠等小水 源之情境中，增加能源取得方式的多樣性。
二、研究動機
在一次上課中，老師與我們討論到魚菜共生的運作方式，看到一些網路的影片是利用虹 吸鐘來產生虹吸現象，有效的抽出原本養殖槽中的水，再重新注入有養份的水，在觀看影片 時，我們感覺到排出的水勢相當猛烈，但是影片拍攝者也提到虹吸鐘若沒有設置好，可能會 失敗，所以我們想要來一窺虹吸鐘的奧秘，找出較佳的配置狀態。另外，目前乾淨能源議題 相當受到重視，我們想進一步利用虹吸鐘所產生的強勁水流來推動發電機，從原本無法被利 用的小水流中獲取出可觀的能量，讓虹吸現象有不同的應用。
圖1-1 用澆水器模擬降雨，同樣可以觸發虹吸鐘 運轉，並推動發電模組
圖1-2 可就近取得小溝渠水源，便能方便讓 虹吸鐘
三、文獻探討
在本研究的探討過程中，涉及一些物理相關的概念，為了能更正確的針對實驗結果進行 討論，我們需先進行相關概念的探討，包含了虹吸現象及虹吸鐘、大氣壓力以及發電等三個 主題，以下分段敍述。
(一) 虹吸現象及虹吸鐘
虹吸現象(siphon)屬於一種流體力學，一般是使用 一條倒U 形的管子(一般稱為虹吸管)，藉著兩端的液 體之重量差距所產生的液壓差距，讓處於相對高處的 水體可以越過最高點，往另一端流動，如此可以達成 不使用泵浦將水向上抽到另一個位置之目的，其大致 架構如圖3-1。
而虹吸現象所使用的器材並不侷限於虹吸管，例 如常被使用在現在相當熱門的魚菜共生殖床中的虹吸 鐘(如圖 3-2)，則是另一種形式的虹吸裝置，不僅具有 抽水的功能，也更具備整齊美觀的優點，本研究即是 利用虹吸鐘來呈現虹吸現象[1]。
(二) 大氣壓力
地球被大氣層所包圍，而此大氣層受到地心引力吸引而具有重 量，壓在地面上形成我們俗稱的大氣壓力。在地表上，不同的地區 之大氣壓力雖有不同但是差異不大，若使用水銀柱來測量，如著名 的托里切利實驗(如圖 3-3)，大氣壓力能將水銀在一個真空管中向 上推升76 公分，套用大氣壓力公式如下
p＝h‧d ＝76 cm × 13.6 g／cm3＝1033.6 gw／cm2
換言之，若我們用水來測量，一大氣壓力可將水推升至1033.6 cm，在本研究中，我們便是利用水管中的水柱高度來判斷虹吸鐘 內的氣壓改變情形[2]。
(三) 發電
我們俗稱的馬達，是將電能轉換成機械能，又稱為電動機；相反的，我們可以使用發電機 來將機械能轉化成電能，而電動機與發電機只是概念相反及結構相似的裝置，因此我們可以 在一些自然實驗中，利用不同形式的力來轉動小馬達，將動能轉換成電能[3]。
我們可以將一個充當發電機的小馬達視為一顆小電池，因此，在本研究中為了能在強大的
圖3-1 虹吸現象簡介[4] 圖3-2 市售虹吸鐘[5]
圖3-3 虹吸現象簡介[6]
四、研究目的
本研究的目的有二項，其一是我們想要了解虹吸鐘的科學原理，以便我們可以進行改良，
使虹吸鐘能更強力的排水，以及更穩定的進行虹吸現象循環。其二是我們想要運用虹吸鐘於 發電，需設計出有效的發電模組，提升發電的效益。我們在進行完文獻探討的資料蒐集後，
大致獲得虹吸現象及發電的相關知識，並形成欲探討的問題。
五、研究項目
接著我們將本研究分為二個主要項目，共計十項子實驗，條列如下：
項目一：虹吸裝置之狀態對虹吸現象的影響
實驗 1 ：虹吸管的粗細對於虹吸現象的影響 實驗2 ：進水速度對於虹吸現象的影響
實驗3 ：虹吸管與虹吸鐘的間隙對於度對虹吸現象的影響 實驗4 ：注氣管終止注氣階段實驗
實驗5 ：虹吸鐘空氣室高度對於虹吸現象的影響 實驗6 ：虹吸裝置高度對於虹吸現象循環的影響 實驗7 ：虹吸管長度對於虹吸現象循環的影響
項目二：發電模組之狀態對發電效能的影響
實驗8 ：水輪扇葉的彎度對於發電效能的影響 實驗9 ：水輪扇葉的數量對於發電效能的影響 實驗10：馬達數量對於水輪機盒取得能量的影響
六、研究設備及器材
下表羅列出本研究的器材主體，以及使用的材料與工具 表6-1 實驗設備所需工具及材料
器材名稱 種類 項目
實驗架
材料 鍍鉻架
工具 手持鋸、鐵鎚
虹吸水箱、
虹吸裝置、
儲水箱
材料
壓克力水箱(商家已組裝)、水塔套筒、PVC 水管套件、
束線繩、塑膠收納箱、馬達、壓克力板、壓克力管、油土、
長尾夾、熱熔膠、空牛奶瓶、塑膠管、L 型鐵架、螺絲、
捲尺
工具 圓穴鋸、圓盤鋸、熱熔膠槍、螺絲起子
發電模組
材料 壓克力板、鐵棒、塑膠螺帽、小馬達、電線、三用電錶、
強力磁鐵、杜邦線、麵包板
工具 雷射切割機、Illustrator CC2018、鐵鎚、虎口鉗
七、研究過程及方法
（一）研究流程
圖 7-1 研究流程圖
實驗架 動機
確認研究方法
製作研究器材
進行實驗及記錄
進行討論與產生結論 研究目的確認
虹吸現象及虹吸鐘 文獻探討
進行虹吸鐘的改良，使虹吸鐘能更強力的 排水，以及更穩定的進行虹吸現象循環
大氣壓力
欲探討穩定且強力之虹吸鐘，並利 用此排水發展高效能之發電模組
完成研究報告
虹吸箱 虹吸鐘裝置
加裝注氣管(也可做測量氣壓用途) 發電
運用虹吸鐘於發電，需設計出有效的發電 模組，提升發電的效益
發電模組(6 顆馬達)
發電模組(12 顆馬達) 提升
電力 解除 注氣階段
（二）研究設計
研究的主要實驗設備有 4 項，分別為實驗架、虹吸箱、虹吸裝置及發電模組等，如圖 7- 2 為各項器材的放置方式，以下詳述製作過程；另外，為了更清楚的說明各項實驗變項之意 涵，我們於圖7-3 中進行詳細標示。
圖 7-2 整體實驗設備配置介紹
發電模組 虹吸鐘固定架
省水牛奶瓶
虹吸鐘
紅色液體存放瓶 注氣管
鍍鉻架
沉水馬達 儲水箱
麵包板及杜邦線 虹吸箱
虹吸管 虹吸鐘空氣室
儲水箱等實驗器材，並能穩定測量實驗結果，我們使用鍍鉻架製作一個符合需求的實驗架，
分成上下二層，製作方法如下。
(1) 我們先確定實驗器材尺寸，然後購買適當的鍍鉻架。
(2) 接著在鍍鉻棒適當高度放置塑膠環，以便固定鍍鉻架。
(3) 使用鐵鎚敲擊鍍鉻架，讓鍍鉻架穩固的固定在適當高度。
2. 虹吸箱：虹吸箱的功用是放置虹吸裝置，以便呈現虹吸現象，以下為虹吸箱製作步驟。
(1) 我們初步確認虹吸箱的尺寸長寬高為52 公分、45 公分、30 公分，為了避免縫隙漏水，
我們請廠商協助裁切與黏合(如圖 7-4)。
(2) 接著我們在箱子底部裁出一個圓孔，以安裝水塔套筒(如圖 7-5)，方便我們固定虹吸管。
(3) 最後我們使用PVC 水管，外接透明水管至下方儲水槽之沉水馬達，讓水可以由儲水槽抽 至上方的虹吸箱中(如圖 7-6)。
圖7-4 廠商協助製作的虹吸箱 圖 7-5 在虹吸箱底的圓孔上安裝 水塔套筒
圖7-6 用束線繩固定 PVC 水管於箱壁上
3. 虹吸裝置：完成虹吸箱後，我們接著要製作內部的虹吸裝置，步驟如下。
(1) 我們先利用壓克力板製作固定架，以便固定虹吸鐘及確認虹吸管的高度(圖 7-7)。
(2) 接下來，我們使用熱熔膠將實驗用的虹吸鐘黏在一片壓克力板上，再用長尾夾固定於固定 架上，方便我們快速更換不同尺寸的虹吸鐘及虹吸管(圖 7-8)，以及調整虹吸鐘的位置。
(3) 最後，我們拿取適量的油土，搓成長條狀，繞著虹吸管，再將虹吸管穿入虹吸鐘內，並固 定到水塔套筒上，緊壓油土(圖 7-9)，避免水從縫隙中流下。
4. 發電模組：為了能讓虹吸裝置發揮功用，我們設計一套有效又簡單的發電模組，藉由虹吸 圖7-7 使用螺絲固定虹吸鐘支架 圖7-8 不同尺寸的虹吸管 圖7-9 緊壓油土，防止漏水
水流的巨大沖擊，轉動水輪扇葉，讓多顆馬達同時轉動(原設計可容納 6 顆，後來擴充至 12 顆)，我們使用麵包板及杜邦線，依需求將這些馬達進行串聯。
(1) 我們先草擬發電模組的外觀與適當的尺寸，其中需包含有水輪室以及左右齒輪室，共三大 分隔空間，並且中間隔板具備方便取下與防水之功能。
(2) 接著，我們請廠商協助裁切出所需的壓克力板，然後，我們在板子上裁出鐵棒的孔洞以及 固定馬達的切口，最後再使用氯仿將所有板子進行黏合(圖 7-10)。
(3) 完成整體結構後，我們利用 Illustrator CC2018 軟體(圖 7-11)，繪製實驗變因所需之不同扇 葉角度及扇葉數量之水輪，以及鐵軸上的大齒輪(30 齒)與馬達上的小齒輪(20 齒)。
(4) 我們將所有小馬達固定至壓克力板的切口中，並將適當長度的鐵棒套上大齒輪，以及在馬 達套上小齒輪，然後將鐵棒放入箱中，確保大齒輪與小齒輪能順暢連動。
(5) 最後，我們依實驗需求，使用麵包板及杜邦線將所有的馬達依實驗需求串聯在一起，並連 接至三用電表(圖 7-12)，以便測量輸出的電壓或電流之大小。
(三)實驗方法：為了清楚的探討我們設計的虹吸鐘發電模組之效能，讓實驗結果更加正確，
我們需在實驗前進行一系列的檢查(扣除該實驗之操作變因)，以及妥善的實驗流程。
1. 實驗前檢查：我們所要進行的檢查項目共計八項，等同於是實驗的控制變因。
(1)虹吸管長度及高度維持一致(圖 7-13)。 (2)虹吸鐘與虹吸管的間隙維持一致。
(3)虹吸鐘空氣室高度維持一致。 (4)馬達抽水速度維持一致。
(5)虹吸箱內省水水瓶數量維持一致。 (6)虹吸鐘及虹吸管垂直向下(圖 7-14)。
(7)發電模組之齒輪維持轉動順暢(圖 7-15)。 (8)發電模組之水輪狀態維持一致。
圖7-10 著手黏合壓克力板 圖7-11 繪製實驗所需的齒輪 圖7-12 使用麵包板來串聯馬達
(1)依據實驗項目選擇所需的虹吸鐘及虹吸管，並妥善固定。
(2)將虹吸管包上油土，固定在水塔套筒上，並調整好高度以及保持垂直。
(3)將虹吸鐘固定在固定架上，並由上而下套在虹吸管外，然後調整好高度以及與虹吸管保 持方向平行。
(4)將發電模組內的水輪以及馬達放置妥當，確認能順暢運轉。
(5)將發電模組放置在虹吸管下方，使出水口正對水輪受力的部位。
(6)開啟儲水槽中的沉水馬達開關，開始將水注入虹吸箱中。
(7)將攝影機對準虹吸裝置或發電模組，進行實驗記錄，至少涵蓋 5 個虹吸循環。
(8)將 5 次實驗數據進行平均，做為確認之結果。
八、研究結果及討論
以下針對各實驗的方法進行說明，並討論其實驗結果 (一)實驗 1：虹吸管的粗細對於虹吸現象的影響
我們對於虹吸管能產生多大的水流相當好奇，因此決定先 進行虹吸管粗細的實驗，我們使用內徑1.0cm、1.5cm、2.0cm、
2.5cm、3.0cm 及 3.5cm 的壓克力管當成虹吸管，使用比虹吸管 的再大二號的壓克力管當成虹吸鐘，分別是口徑2.0cm、
2.5cm、3.0cm、3.5cm、4.0cm 及 4.5cm 壓克力管，以維持間隙 皆為0.25cm，實驗結果如下。
在此次實驗中，我們發現可以將虹吸現象的過程概分為四個階段：
(1) 階段一：注水階段
水從虹吸鐘下緣開口緩緩上升，直到虹吸管的上緣開口，此階段通常相當安靜。
(2) 階段二：排氣階段
水位抵達虹吸管的上緣開口後，仍會因為水的表面張力而再上升一小段高度，接著水開始往 虹吸管中流出，最後因為管中的水將管中完全封閉，並且隨著封閉點出現，而使虹吸管完全 沒有空氣，此時水流會突然加速。
(3) 階段三：虹吸階段
當虹吸管出現封閉點後，即進入虹吸階段，此時水流相當迅速，管內因沒有空氣，而呈現透 明狀，在虹吸箱中相當安靜，而在儲水箱則有水流強烈沖擊水面的聲音，若進水量小於排水 量，則虹吸階段會在一段時間後終止；但是若進水量大於排水量，則虹吸階段將不會停止。
(4) 階段四：注氣階段
當水位再次回到虹吸鐘下緣開口時，因空氣又可進入虹吸鐘，此時虹吸鐘及虹吸管內會因空 氣及水相互穿梭，而產生相當強烈的振動與聲響，若管子略大時，很快的虹吸鐘的水會全部 降回虹吸鐘下緣水面；但是若管子過小，則易導致注氣階段不會停止。
圖8-1 實驗 1 搭配之 虹吸管及虹吸鐘
表8-1 虹吸鐘之虹吸現象四階段示意圖
一、注水階段 二、排氣階段
三、虹吸階段 四、注氣階段
表8-2 實驗 1 實驗結果 虹吸管
內徑 1.0 cm 1.5 cm 2.0 cm 2.5 cm 3.0 cm 3.5 cm
圖片
虹吸階段
持續時間(三) 無法結束 178.72 秒 54.42 秒 無法開始 無法開始 無法開始 注氣階段
持續時間(四)
無法開始 無法結束 16.96 秒 無法開始 無法開始 無法開始
狀態 描述
能產生虹 吸，但過 程中，水 位不會下 降
能產生虹 吸，但口 徑較小，
水位下降 緩慢，且 注氣階段 無法停止
需確保水 管角度垂 直，即可 產生虹 吸，注氣 階段較長 且不穩定
水流無法 填補管子 的空氣柱
水流無法 填補管子 的空氣柱
水流無法 填補管子 的空氣柱
圖8-2 實驗 1 虹吸階段持續時間折線圖 討論：
另外，從實驗結果中，我們發現了虹吸管的大小明顯影響虹吸現象的進行，其一是若虹 吸管太粗時，因為要將管子的空間全部填滿，必須有較大進水量(如圖 8-3)，因此我們在實 驗2 中改用二顆沉水馬達，提升進水量，以了解進水量是否能解決虹吸管太粗而無法形成虹 吸現象的問題。
其二是若虹吸管內徑2 公分或更小時，雖然會出現虹吸現象，但是因為虹吸管空間小，
所以水不易完全下降，導致注氣階段過久，或者是無法停止，不僅產生過大噪音，且產生的 水流呈現斷斷續續狀態，我們也將在實驗四使用注氣管，探究此問題的解決方法。
圖8-3 細虹吸管與粗虹吸管圖水流示意圖
178.72
54.42
0 0 0
0 50 100 150 200 250 300
1 1.5 2 2.5 3 3.5
虹吸管的粗細對於虹吸現象的影響
虹吸管內徑(公分) 虹
吸 階 段 持 續 時 間
狀 態 較 佳
(二)實驗 2：進水速度對虹吸現象的影響 1.使用大水流於不同的虹吸管
延續實驗1，我們欲了解若加大注水速度，是否能讓較 大內徑之虹吸管也產生虹吸現象，首先於是我們針對由中 到大內徑之2.0cm、2.5cm、3.0cm 虹吸管進行實驗，採用二 顆沉水馬達同時注水，實驗結果如下。
表8-3 實驗 2-1 實驗結果
從實驗結果，我們可以得到二個結論，首先是當管徑過大時，此時加大水流並無法強制 虹吸現象出現，只會導致水面不斷的向上升，最後溢出箱子(如圖 8-5)；其次，使用適當的 管子，只要能將方向維持垂直，就很容易讓虹吸管中水流出現封閉點，引發虹吸現象。
圖8-5 粗虹吸管在大注水量時仍無法封閉虹吸管
內徑 2.0 cm 2.5 cm 3.0 cm
照片
排氣階段
持續時間(二) 4.82 秒 不穩定 無法結束
虹吸階段
持續時間(三) 15.66 秒 17.02 秒 無法開始 狀態描述
只要將虹吸管放置垂 直，虹吸現象都能順利 出現
虹吸現象不易出現，若 將虹吸管傾斜約5 度，
此時虹吸現象才能出現
虹吸管過大，周圍的水 流無法形成封閉點，最 後水越過上方固定架 圖 8-4 實驗 2 同時使用
二顆沉水馬達注水
2.使用不同的注水速度於內徑 2.0cm 的虹吸管
另外，我們想要了解不同注水速度對虹吸現象的影響，於是使用2.0cm 內徑虹吸管，然 後調整二個沉水馬達的抽水速度，為方便註記，我們採用每秒鐘的注水量來記錄，主要觀察 其進行虹吸階段前的排氣階段，實驗結果如下。
表8-4 實驗 2-2 實驗結果
圖8-6 實驗 2-2 排氣階段持續時間折線圖
從上面的實驗結果，我們可以得到二個結 論，首先，如果注水的速度大於排水的速度時，
就能順利形成封閉點(如圖 8-7)，則虹吸現象即可 出現；其次，若注水愈快，便可愈快跨越排氣階 段，進到虹吸階段。
注水速度 0.12(公升/秒) 0.18(公升/秒) 0.24(公升/秒) 0.36(公升/秒) 0.48(公升/秒) 排氣階段
持續時間(二) 無法結束 21.42 秒 10.18 秒 5.46 秒 4.38 秒
狀態描述
注水太慢，
使虹吸鐘中 的水無法聚 集封閉
注水略慢，
使排氣階段 長達21.42 秒，但可啟 動虹吸現象
注水正常，
排氣階段縮 短至約10.18 秒
注水較快，
排氣階段縮 短至約5.46 秒
注水快速，
排氣階段只 需約4.38 秒
21.42
10.18
5.46 4.38
0 5 10 15 20 25 30
0.12 0.18 0.24 0.36 0.48
使用不同的注水速度於內徑2.0cm的虹吸管
排 氣 階 段 持 續 時 間( 秒)
馬達注水速度(公升/秒)
(三)實驗 3：虹吸管與虹吸鐘的間隙對於虹吸現象的影響 接著，我們進一步探討虹吸管與虹吸鐘的間隙是否會影 響虹吸現象，我們採用內徑2.0cm 的虹吸管，搭配內徑 3.5cm、
4.0cm、4.5cm 和 5.0cm 的虹吸管，得到以下的實驗結果。
表8-5 實驗 3 實驗結果
圖8-8 實驗 3 折線圖
間隙 0.5 cm 1.0 cm 1.5 cm 2.0 cm
圖片
虹吸階段
持續時間(三) 22.92 秒 22.12 秒 20.18 秒 19.34 秒 注氣階段
持續時間(四) 無法結束 12.2 秒 9.28 秒 10.08 秒 狀態
描述
注氣階段無法停 止
注氣階段時間不 穩定
易形成虹吸現 象，並且注氣期 能較快結束
易形成虹吸現 象，並且注氣期 能較快結束
虹吸管與虹吸鐘間隙(公分)
圖 8-8 實驗 3 搭配之 虹吸管及虹吸鐘
22.92 22.12
20.18 19.34
0 5 10 15 20 25 30
0.5 1 1.5 2
虹吸管與虹吸鐘的間隙對於 虹吸現象的影響
虹吸階段持續時間
( 秒)
12.2
9.28 10.08
0 5 10 15 20 25 30
0.5 1 1.5 2
虹吸管與虹吸鐘的間隙對於 虹吸現象的影響
注氣階段持續時間
( 秒)
圖 8-9 實驗 3 虹吸階段持續時間折線圖 圖 8-10 實驗 3 注氣階段持續時間折線圖
討論：
從圖8-9，我們可以發現虹吸管與虹吸鐘的間隙愈大時，虹吸階段愈短，也代表水排出的 速度愈快，如間隙2.0 公分時，虹吸階段 19.34 秒，明顯較間隙 0.5 公分時，用了 22.92 秒來 的快。我們認為應該是較大的間隙，水流動較流暢，所以虹吸的速度便會變快。
另外，我們從圖8-10 也可發現，間隙愈大時，注氣階段愈短；反之間隙過小時，注氣階 段甚至無法終止。我們認為較小的間隙不僅阻礙了空氣進入虹吸鐘，同樣也會造成水不易從 虹吸鐘降回虹吸鐘下緣水面，空氣與水皆在虹吸鐘內快速流動(如圖 8-11)。
為了解決注氣階段不易解除的問題，我們決定於實驗 4 進行注氣管終止注氣階段實驗，
期能加速虹吸現象的循環。
圖 8-11 空氣與水在間隙中穿梭
(四)實驗 4：注氣管終止注氣階段實驗
在前三個實驗中，我們可以發現注氣階段容易干 擾虹吸現象進程，不僅會拖慢整個循環，也會製造令 人不悅的噪音，我們分析其產生的原因是因為空氣進 入虹吸鐘的速度太慢，而此時又不斷有水進入虹吸 鐘，使此階段拖得更長，甚至無法停止，因此我們想 要找到一個不會干擾注水階段的注水方法，又能在注 氣階段快速提供氣體到虹吸鐘內，以終止虹吸現象。
我們發現可在虹吸鐘上方加裝一條塑膠管，並加以密閉，然後將此管子的另一端放置於 三個不同位置，分別是水箱之外、水箱內底部以及略高於虹吸鐘下緣，以下為實驗結果。
表8-5 實驗 4 實驗結果
從實驗結果中，可以發現注氣管放置的位置將會密切的 影響虹吸現象的各階段進行，我們可以看到如果管子另一端 離開水面，則因為可以不斷的提供空氣，因此排氣階段將無 法停止，使虹吸現象無法產生。
若將管子另一端放入水箱底部，則注氣管將無法在注氣 階段發揮功用，也使得注氣階段會維持相當長的時間。
唯有將管子另一端放在介於虹吸管上緣及虹吸鐘下緣的 範圍中(如圖 8-13)，注氣階段才能快速完成，接著進到下一 個注水階段。
注氣管
擺放方式 水箱之外 水箱內底部 略高於虹吸鐘下緣
圖片
排氣階段
持續時間(二) 無法結束 4.52 秒 4.56 秒 虹吸階段
持續時間(三) 無法開始 17.94 秒 17.16 秒 注氣階段
持續時間(四) 無法開始 52.6 秒 0.40 秒
狀態 描述
因為注氣管不斷注入 空氣，使排氣階段無 法完成
順利進行完虹吸階 段，但是注氣階段相 當長，且不穩定，因 此不易進入下一個虹 吸現象循環
易形成虹吸現象，並 且有注氣管協助注入 空氣，使注氣階段迅 速結束，接著進入下 一個虹吸現象循環 圖 8-12 實驗 4 注氣管外觀
注氣管加速空氣進入虹吸鐘
(五)實驗 5：虹吸鐘空氣室高度對於虹吸現象的影響
我們從前面的實驗中，看到了虹吸階段過程中，水面會向上彈 升一段高度，有時會直接觸碰到虹吸鐘上壁，因此我們欲了解虹吸 鐘上壁至虹吸管上緣這段空間(以下簡稱空氣室)對於虹吸現象之影 響，本實驗調整空氣室的高度，分別為 2cm、4cm、6cm、8cm 及 10cm，觀察其虹吸階段的時間，以及空氣室內的水柱高度。
表8-6 實驗 6 實驗結果
圖 8-15 實驗 5 虹吸階段持續時間折線圖
從實驗結果中，我們可以發現空氣室的高度對於虹吸現象的產生影響不大，但是可以發 現一個規律，就是當空氣室高度愈高，則虹吸階段愈短，也就代表空氣室空間愈大，水流入
空氣室高度 2 cm 4 cm 6 cm 8 cm 10 cm
照片
虹吸階段
持續時間(三) 19.44 秒 18.72 秒 18.26 秒 17.72 秒 17.44 秒 空氣室
水柱高度 2.2 cm 4.2 cm 4.4 cm 4.2 cm 4.4 cm
狀態描述 虹吸現象皆順利出現
19.44 18.72 18.26 17.72 17.44
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
2 4 6 8 10
虹吸鐘上方空氣室對於度對虹吸現象的影響
虹 吸 階 段 持 續 時 間( 秒)
空氣室高度(公分)
圖 8-14 實驗 5 使用之不 同長度虹吸鐘
另外，當虹吸現象發生時，空氣室中水柱高度大致皆在4.2cm~4.4cm 範圍，表示虹吸現 象發生瞬間，空氣室內會因為水的重力，而對虹吸鐘外的水產生吸力，此時虹吸鐘內的水位 會因為此吸力而上升，部份的水會停留在空氣室中。
圖 8-16 空氣室過低造成水流阻塞 圖 8-17 空氣室較高有利水的流動
(六)實驗 6：虹吸裝置高度對於虹吸現象的影響
在實驗 5 中，我們發現空氣室高度不太會影響虹吸階段的進行，於是我們想進一步探討 將整個虹吸裝置的高度改變對虹吸現象的影響，一起調整虹吸管以及虹吸鐘的長度，讓裝置 整體高度分別為7cm、9cm、11cm、13cm、15cm，但要維持虹吸鐘下緣的位置不變、空氣室 高度也不變，並且因為裝置不同高度，所以箱中的水量也不同，因此我們將虹吸裝置的高度 除以虹吸階段的時間，呈現在下表中，以了解實際排水的強度。
表8-7 實驗 6 實驗結果
圖 8-18 實驗 6 水位下降速度折線圖 圖 8-19 實驗 6 注氣階段持續時間折線圖 從實驗結果中，我們可以從虹吸階段及注氣階段看到虹吸裝置的影響，首先是虹吸裝置 愈高，會大幅增加虹吸階段所需時間，也代表排水的強度將大幅減弱，我們認為應該是水要 向上提升的高度愈高，流經的路徑就愈長，所花費的時間就愈久，相對的，裝置愈短，水就 能更迅速的抵達虹吸管的上緣開口。
虹吸裝置高度 7 cm 9 cm 11 cm 13 cm 15 cm
照片
虹吸階段
持續時間(三) 12.34 秒 18.56 秒 22.14 秒 30.94 秒 39.60 秒 虹吸階段水位
下降速度 0.5677(cm/s) 0.4849(cm/s) 0.4968(cm/s) 0.4202(cm/s) 0.3788(cm/s) 注氣階段
持續時間(四) 15.12 秒 7.38 秒 6.84 秒 18.12 秒 24.42 秒
狀態描述
虹吸階段最 短，注氣階 段時間適中
虹吸階段變 長，注氣階 段卻明顯減 短
虹吸階段持 續變長，注 氣階段最短
虹吸階段持 續變長，注 氣階段再次 變長
虹吸階段最 長，注氣階 段也最長且 不穩定
0.5677 0.4849 0.4968
0.4202 0.3788
0 0.2 0.4 0.6
7 9 11 13 15
虹吸裝置高度對於虹吸現象的影響
水位下降速度(cm/s)
15.12
7.38 6.84
18.12
24.42
0 10 20 30
7 9 11 13 15
虹吸裝置高度對於虹吸現象的影響
注氣階段
( 秒)
虹吸裝置高度(公分) 虹吸裝置高度(公分)
圖 8-20 虹吸裝置較低有利水的流動 圖 8-21 虹吸裝置過高不利水進入虹吸管
(七)實驗 7：虹吸管長度對於虹吸現象的影響
針對虹吸裝置的一系列實驗中，虹吸管的長度對虹吸現象 的影響是最受我們重視的，因為從文獻探討中，我們可以了解 到虹吸現象的產生主因就是虹吸管中的水受到重力而將虹吸鐘 內的水也吸引向下。因此若我們改變虹吸管的長度應該會對排 水強度有關鍵性的效果，為了能獲得更清楚的分析，我們賦予 注氣管不同的功能，就是測量虹吸鐘內的氣壓變化，我們將注 氣管的另一端改放入紅色液體中，方便我們測量被吸起的液體 之高度，以了解此時虹吸鐘內的吸力強度，我們使用的虹吸管 長度分別為20cm、40cm、60cm、80cm 及 100cm。
表8-8 實驗 7 實驗結果
實驗 7 虹吸階段持續時間折線圖 實驗 7 紅色液體上升高度折線圖
從實驗結果中，明顯可以觀察到虹吸管的長度的確會顯著的影響虹吸現象，我們發現若 虹吸管長度 20 cm 40 cm 60 cm 80 cm 100 cm
照片 虹吸階段
持續時間(三) 36.56 秒 21.14 秒 16.90 秒 14.08 秒 12.52 秒 紅色液體
上升高度 2.38 cm 5.44 cm 6.80 cm 8.22 cm 9.40 cm
圖 8-22 注氣管另一端放入紅色 液體中，測量液體上升高 度
36.56
21.14
16.9 14.08 12.52
0 5 10 15 20 25 30 35 40
20 40 60 80 100
虹吸管長度對於虹吸現象的影響
虹吸階段
( 秒)
2.38
5.44
6.8
8.22
9.4
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
20 40 60 80 100
虹吸管長度對於虹吸現象的影響
紅色液體上升高度
( 公分
)
虹吸管長度(公分) 虹吸管長度(公分)
cm2)，推測出此時虹吸鐘內外的壓力差，例如在虹吸管 100 公分的狀態下，液體上升 9.4 公 分，其內部大氣壓力約為 (1033.8-9.4)/1033.6=0.9909 atm(大氣壓力)，只略低於 1atm，並非 如原本成員間討論的真空區之形成。
圖 8-25 虹吸管較短，使水向下拉力較小 虹吸管較長，使水向下拉力變大
(八)實驗 8：水輪扇葉的曲率半徑對於發電效能的影響 經歷過虹吸裝置的一系列實驗後，終
於可以將虹吸裝置調整至最佳狀態，接下 來我們準備要進行發電模組的實驗，首先 為了配合出水管出水口的大小，將扇葉的 半徑固定在3.5 公分，然後改變扇葉彎度，
我們使用雷射切割機製作出不同曲率半徑 之扇葉曲率愈小，代表扇葉愈彎曲，接著將 扇葉安裝至設計好的六顆馬達發電模組中，
使用三用電錶分別測量產生的電壓及電流。
表8-9 實驗 8 實驗結果
圖 8-29 實驗 8 電壓折線圖 圖 8-30 實驗 8 電流折線圖 圖 8-31 實驗 8 功率折線圖
從實驗結果，我們可發現用曲率半 徑較小扇葉時，產生電壓與電流最佳，
同時利用公式 功率=電壓×電流，可得到 曲率半徑1.4 公分時，產生功率最佳。
我們認為使用較彎曲的扇葉時，水 在撞擊扇葉後易產生反方向水花，水的
扇葉曲率半徑 平直 2.4 cm 1.6 cm 1.4 cm 1.2 cm 電壓(伏特) 6.002 V 6.870 V 7.264 V 7.586 V 7.464 V 電流(安培) 0.02796 A 0.03168 A 0.03196 A 0.03402 A 0.03450 A 功率(瓦特) 0.1678 W 0.2176 W 0.2322 W 0.2581 W 0.2575 W
圖 8-28 各式不同曲率半徑之 扇葉水輪
6.002 6.87 7.264 7.586 7.464
0 2 4 6 8
平直 2.4 1.6 1.4 1.2 水輪扇葉曲率半徑對於
發電效能的影響
0.027960.031680.031960.034020.0345
0 0.01 0.02 0.03 0.04
平直 2.4 1.6 1.4 1.2 水輪扇葉曲率半徑對於
發電效能的影響
0.1678
0.2176 0.2322
0.2581 0.2575
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
平直 2.4 1.6 1.4 1.2 水輪扇葉曲率半徑對於
發電效能的影響
電壓( 伏
特)
電 流(
安培) 功
率( 瓦
特)
狀 態 較 佳
狀 態 較 佳
狀 態 較 佳
扇葉曲率半徑
扇葉曲率半徑
扇葉曲率半徑
圖 8-27 曲率半徑 2.4cm 之 水輪示意圖
(九)實驗 9：水輪扇葉的數量對於發電效能的影響
承續實驗8，我們想要了解是否更多的扇葉有利於發電效 能的提升，於是我們使用了3、4、5、6、7、8 片扇葉的水輪，
同樣使用三用電錶分別測量產生的電壓及電流。
表8-10 實驗 9 實驗結果
圖 8-35 實驗 9 電壓折線圖 圖 8-36 實驗 9 電流折線圖 圖 8-37 實驗 9 功率折線圖
從實驗結果中，我們看到一個特殊的狀況，在5 片扇葉時，可以產生較高的電壓，但是 在7 片扇葉時卻有較高的電流，並且二個數值相乘所得的功率則是在 5 片、6 片、7 片時表 現相近。
我們認為可能的原因是 5~7 片時的水輪轉速最快，
在發電上有最好的表現，但 是相差有限，而扇葉較少的 狀態下，如3 片、4 片時，
被水流沖擊的次數會減少，
所以轉速也會比較小；而扇 葉過多，如8 片時，則因為 在接受較多水量的邊際效應 降低，以及水輪較重等二個 因素的影響，轉速也同樣減 慢，因此若考量到使用較輕 的水輪，則可使用5 片扇葉 即可。
扇葉數量 3 片 4 片 5 片 6 片 7 片 8 片 電壓(伏特) 6.914 V 7.634 V 8.074 V 7.908 V 7.856 V 7.662 V 電流(安培) 0.02956 A 0.03346 A 0.03856 A 0.03920 A 0.04032 A 0.03814 A 功率(瓦特) 0.2048 W 0.2554 W 0.3113 W 0.3100 W 0.3168 W 0.2922 W
6.914 7.634 8.074 7.908 7.856 7.662
0 2 4 6 8 10
3片 4片 5片 6片 7片 8片 水輪扇葉數量對於
發電效能的影響
0.029560.033460.038560.03920.040320.03814
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
3片 4片 5片 6片 7片 8片 水輪扇葉數量對於
發電效能的影響
0.20480.25540.3113 0.31 0.31680.2922
0 0.1 0.2 0.3 0.4
3片 4片 5片 6片 7片 8片 水輪扇葉數量對於
發電效能的影響
電 壓( 伏
特)
電 流( 安
培) 功
率( 瓦
特)
狀 態 較 佳
狀 態 較 佳
表現相近
圖 8-34 各式不同扇葉數量之水輪
扇葉數量
扇葉數量
扇葉數量
圖 8-38 三片扇葉之水輪 受水沖擊時間較少
圖 8-39 五片扇葉之水輪 受水沖擊時間較多
(十)實驗 10：馬達數量對於水輪機盒取得能量的影響
此實驗是本研究的最終探究項目，我們想要在這實驗中，使用最佳的虹吸裝置以及發電 模組之組合，測試在相同注水量下，沒有虹吸現象以及產生虹吸現象時，面對不同馬達數量 的發電效能。
在實驗前的初步測試中，我們發現有虹吸現象下，使用1~6 顆馬達時，其發電之效益(功 率)穩步上升，因此我們推測強勁的水流應可推動更多馬達，因此我們以原本發電模組為原型，
製作出可容納12 顆馬達之模組，期望可以更加確認此設計的價值。
另外，為了方便我們可以將12 顆馬達進行串聯，以及可以因應馬達數量而改變線路的連 接方式，我們使用杜邦線以及麵包板來做為馬達連接的媒介。
實驗10 實驗結果
馬達數量 1 顆 2 顆 3 顆 4 顆 5 顆 6 顆 7 顆 8 顆 9 顆 10 顆 11 顆 12 顆 有
虹 吸 現 象
電壓V 1.470 2.912 4.270 5.298 6.466 7.706 9.088 10.262 11.818 12.418 13.614 14.218
電流A 0.0468 0.0486 0.0445 0.0394 0.0364 0.0335 0.0326 0.0318 0.0319 0.0292 0.0265 0.0247
功率W 0.0688 0.1415 0.1900 0.2087 0.2354 0.2582 0.2963 0.3263 0.3770 0.3626 0.3608 0.3519
無 虹 吸 現 象
電壓V 1.330 2.174 2.872 3.524 5.386 6.840 6.686 7.654 8.802 8.350 8.120 7.888 電流A 0.0382 0.0352 0.0348 0.0336 0.0311 0.0255 0.0191 0.0182 0.0115 0.0100 0.0097 0.0078
功率W 0.0508 0.0765 0.0999 0.1184 0.1673 0.1743 0.1274 0.1395 0.1016 0.0835 0.0792 0.0621
原 6 顆馬達之發電模組 改良之 12 顆馬達之發電模組
2.912 4.27 5.298 6.466 7.706 9.088 10.262
11.818 12.418 13.614 14.218
7.654 8.802 8.35 8.12 7.888 68
1012 14
馬達數量對於水輪機盒取得能量的影響 有虹吸現象
無虹吸現象 電
壓(
伏特)
使用鐵軸上的大齒輪來帶動周圍 6 顆小齒輪轉動
實驗 10 電流折線圖
實驗 10 功率折線圖
從實驗的結果中，我們有三個重要發現，首先是有虹吸現象時，電壓能隨著馬達數量變 多而上升，從折線圖上，我們也能夠預測出馬達若繼續增加，電壓還能夠持續的上升；反觀 若無虹吸現象時，則在馬達增加至 8 顆時，就因為轉動齒輪不易，而電壓開始緩步下降，當 使用12 顆馬達時，有無虹吸現象的電壓數值約為 2:1。
另外，在電流方面，我們因實驗的操作是每增加一顆馬達，則會將其齒輪接上，並且將 其二極電線串聯至整個發電系統中，因此馬達愈多電阻愈大，從公式V(電壓) = I(電流) × R(電 阻)，我們可以推測電流開始下降，但可觀察出有虹吸現象仍可獲得較高的電流，當使用 12 顆 馬達時，電流呈現3:1 的懸殊差異。
最後，我們使用W(功率) = V(電壓) × I(電流) 公式，得到功率的折線圖，可更清楚發現 在相同的注水量下，使用的馬達愈多，則有無虹吸現象之間的差異就愈大，例如在12 顆馬達 的狀態下，二者的功率已呈現6:1 的差異，可見相同的水位能變化，卻在不同的排水模式下，
功率有相當大的差別。
0.0468 0.0486 0.0445
0.0394 0.0364 0.0335 0.0326 0.0318 0.0319 0.0292 0.0265 0.0247 0.0382 0.0352 0.0348 0.0336 0.0311
0.0255
0.0191 0.0182 0.0115 0.01 0.0097 0.0078 0
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
1顆 2顆 3顆 4顆 5顆 6顆 7顆 8顆 9顆 10顆 11顆 12顆
馬達數量對於水輪機盒取得能量的影響
有虹吸現象 無虹吸現象
電 流( 安
培)
馬達數量
0.06880.1415 0.19 0.2087 0.2354 0.2582 0.2963 0.3263 0.377 0.3626 0.3608 0.3519 0.0508 0.0765 0.0999 0.1184 0.1673 0.1743 0.1274 0.1395 0.1016 0.0835 0.0792 0.0621 0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
1顆 2顆 3顆 4顆 5顆 6顆 7顆 8顆 9顆 10顆 11顆 12顆
馬達數量對於水輪機盒取得能量的影響 有虹吸現象
無虹吸現象 功
率( 瓦
特)
馬達數量
狀 態 較 佳
九、結論與建議
綜合本研究二大類別之十個實驗所獲得之結果及討論，我們總結出下列結論、作品貢獻 及建議，以下依序說明。
(一)結論：
1. 虹吸鐘裝置之虹吸現象循環依作用可分為注水、排氣、虹吸及注氣四個階段。
2. 使用內徑約 2 公分之虹吸管，並維持方向垂直容易讓水形成虹吸現象。
3. 注水速度若大於虹吸排水速度，易造成水溢出箱外，若過小則會使虹吸管內的水無法形成 封閉點。
4. 虹吸鐘與虹吸管的間隙不可過小，否則將無法終止注氣階段，使循環中斷。
5. 妥善的使用注氣管可以有效解決注氣階段過長或無法停止的問題。
6. 空氣室高度愈高，虹吸階段愈短，排出的水速愈大，力道愈強。
7. 虹吸裝置高度愈高，可一次累積愈多的水量，使虹吸階段變長，但是卻會降低排水的速度。
8. 若空間許可，可使用愈長的虹吸管來增強虹吸階段排水的速度與沖力。
9. 在本研究中，使用 5 片扇葉以及曲率半徑 1.4 公分的水輪有利提升發電效益。
10. 視發電模組狀況，適度連接較多的馬達，可提升發電效能，但是愈多馬達，其提高的發電 效益會逐漸減少
11. 使用虹吸鐘產生虹吸現象，可推動較大的發電設備，有利長時間的發電成效。
(二)作品貢獻：
根據以上結論，本作品之貢獻如下
1. 本研究針對虹吸鐘裝置進行完整的探討，讓我們可以更了解虹吸鐘運作原理及改良方式。
2. 本研究深入的分析的發電設備對應不同強度的水流時，可採用的較佳發電方式。
3. 本研究將虹吸鐘加強水流的優勢巧妙的融入小規範的儲水設備，讓我們在能源的獲得上多 了一種聰明的選擇。
(三)對未來研究的建議：
1. 本研究在虹吸鐘的設計上，採用簡單、易觀察的壓克力管材質，可能與一般的仿間的水電 器材之特性有差異，建議未來的研究者可使用更貼近生活之用品來進行研究。
2. 本研究為了節省用水，所以使用較小的水箱與水量，並且盡可能重覆使用實驗用水，因此
十、 參考資料
1. 魚菜共生 DIY – 虹吸管篇。UrbanPonics Hong Kong（民 109 年 11 月 29 日）。檢自 https://cuhkaquaponics.wordpress.com/2015/03/30/魚菜共生 DIY – 虹吸管篇/
2. 大氣對人有多大的壓力?。Yahoo!知識+（民 109 年 11 月 30 日）。檢自 https://tw.answers.yahoo.com/question/index?qid=20041230000010KK03695
3. 電機和發電機的工作原理 電機與發電機有什麼區別。每日頭條（民 109 年 11 月 29 日）。檢自https://kknews.cc/science/x6jg6q.htmlhttps://kknews.cc/zh-
tw/science/x6jg6q.html
4. 虹吸。維基百科（民 109 年 11 月 29 日）。檢自 https://zh.wikipedia.org/wiki/虹吸
5. 虹吸鐘。Yahoo!拍賣（民 109 年 11 月 29 日）。檢自 https://tw.bid.yahoo.com/search/auction/product?p=虹吸鐘
6. 大氣壓力。科學的家庭教師（民 109 年 11 月 29 日）。檢自 http://www.phyworld.idv.tw/Nature/Jun_2/B4_CH6/8-4_POINT.pdf
【評語】 080122
本作品研究虹吸鐘於發電的應用，基本上是虹吸原理的推廣應 用。自行組裝器材實作探究，並進行定量的觀測記錄。可以應用於 小流量的環境之中，虹吸現象可局部或間歇性的推動發電設備，增 加能源取得方式的多樣性。相較於同期較嚴謹豐富的作品，在定量 的分析與探究方面的質與量，仍有調整改進的空間
排版\評語\080122-評語
作品簡報
「看我的吸星大法」－
運用虹吸鐘於發電之探討 科 別：物理科
組 別：國小組
一、摘要：
虹吸鐘裝置常被運用於魚菜共生系統，本研究將它結合發 電模組，發展新型態小型水力發電的雛形，以下是本研究主要 發現：
(1)虹吸鐘裝置循環可概分為注水、排氣、虹吸及注氣四個階段。
(2)適當的注水速度、略大的虹吸鐘與虹吸管的間隙以及方向垂 直的2公分內徑虹吸管較易產生穩定的虹吸現象。
(3)加裝注氣管能有效解決注氣階段無法停止的問題。
(4)空氣室高度愈高、虹吸裝置高度愈低、虹吸管愈長可增強虹 吸階現象排水沖力。
(5)使用5片扇葉以及適度彎曲的水輪有利提升發電效益。
(6)虹吸鐘產生虹吸現象，可推動較大發電設備，提升發電成效。
最後我們建議可以運用虹吸鐘發電於如下圖之降雨或小溝
渠等小水源之情境中，增加能源取得方式的多樣性。
二、研究目的與項目：
一、改良虹吸鐘裝置，使其虹吸現象循環更穩定及水流更強勁。
• 實驗1 ：虹吸管的粗細對於虹吸現象的影響
• 實驗2 ：進水速度對於虹吸現象的影響
• 實驗3 ：虹吸管與虹吸鐘的間隙對於度對虹吸現象的影響
• 實驗4 ：注氣管終止注氣階段實驗
• 實驗5 ：虹吸鐘空氣室高度對於虹吸現象的影響
• 實驗6 ：虹吸裝置高度對於虹吸現象循環的影響
• 實驗7 ：虹吸管長度對於虹吸現象循環的影響
二、設計有效的發電模組，提升發電的效益。
三、研究設計
研究的主要實驗設備有4項，分別為實 驗架、虹吸箱、虹吸裝置及發電模組。
1. 實驗架：固定擺放虹吸箱實驗器材、發 電模組以及儲水箱等器材，藉此可穩定 測量實驗結果。
2. 虹吸箱：虹吸箱的功用是放置虹吸裝置，
以便呈現虹吸現象。
3. 虹吸裝置：這是研究的核心，藉以了解 虹吸鐘運作原理及改進的方法。
4. 發電模組：我們設計一套有效的發電模
組，藉由虹吸水流的巨大沖擊，轉動水
輪扇葉，讓多顆馬達同時轉動。
四、實驗方法
(一)控制變因：為了讓實驗結果更加正確，
我們需在實驗前進行一系列的檢查。
(1)虹吸管長度及高度維持一致。
(2)虹吸鐘與虹吸管的間隙維持一致。
(3)虹吸鐘空氣室高度維持一致。
(4)馬達抽水速度維持一致。
(5)虹吸箱內省水水瓶數量維持一致。
(6)虹吸鐘及虹吸管垂直向下。
(7)發電模組之齒輪維持轉動順暢。
(8)發電模組之水輪狀態維持一致。
(二)實驗流程：
(1) 選擇實驗虹吸鐘及虹吸管，妥善固定。
(2)將虹吸管包上油土，固定並調整位置。
(3)固定虹吸鐘，由上而下套在虹吸管外，
調整高度並與虹吸管保持方向平行。
(4)將發電模組內的水輪以及馬達放置妥當，
確認能順暢運轉。
(5)將發電模組放置在虹吸管下方，使出水 口正對水輪受力的部位。
(6)開啟儲水槽中的沉水馬達開關，開始將
水注入虹吸箱中。
五、研究結果：實驗1 –虹吸管的粗細對於虹吸現象的影響
我們發現虹吸現象的過程可分為四個階段：
(1) 階段一：注水階段
水從虹吸鐘下緣開口緩緩上升，直到虹吸 管的上緣開口，此階段通常相當安靜。
(2) 階段二：排氣階段
水位抵達虹吸管的上緣開口後，仍會因為 水的表面張力而再上升一小段高度，水開 始往虹吸管中流出，最後管中的水形成封 閉點，水流會突然加速流出。
(3) 階段三：虹吸階段
出現封閉點後，水流相當迅速，管內因沒 有空氣，而呈現透明狀，則虹吸階段會在 水位降到虹吸鐘下緣後終止。
(4) 階段四：注氣階段
水位回到虹吸鐘下緣時，空氣又可進入虹
一、注水階段 二、排氣階段
三、虹吸階段 四、注氣階段
五、研究結果：實驗1 –虹吸管的粗細對於虹吸現象的影響
使用內徑1.0、1.5、2.0、2.5、3.0及3.5cm的 壓克力管當成虹吸管，從實驗結果，我們發現如下 (一)若虹吸管太粗時，因為要將管子的空間全部填
滿，必須有較大進水量。
(二)若虹吸管內徑2公分或更小時，雖然會出現虹
吸現象，但是因為虹吸管空間小，所以水不易
完全下降，導致注氣階段過久，或者是無法停
止，不僅產生噪音，且導致產生水流斷斷續續。
五、研究結果：實驗4 –注氣管終止注氣階段實驗
我們發現注氣階段容易干擾虹吸現象進程，
不僅會拖慢整個循環，也會製造令人不悅的噪音，
我們發現可在虹吸鐘上方加裝一條塑膠管，並加 以密閉，然後將此管子的另一端放置於三個不同 位置，分別是(1)水箱之外、(2)水箱內底部以及(3) 略高於虹吸鐘下緣。
從實驗結果中，可以發現：
(1)如果管子另一端離開水面，則因為可以不斷的 提供空氣，因此排氣階段無法停止，使虹吸現 象無法產生。
(2)若將管子另一端放入水箱底部，則注氣管將無 法在注氣階段發揮功用，也使得注氣階段會維 持相當長的時間。
(3)唯有將管子另一端放在介於虹吸管上緣及虹吸 鐘下緣的範圍中，注氣階段才能快速完成，接
實驗4注氣管外觀
五、研究結果：實驗7 –虹吸管長度對於虹吸現象的影響
從文獻探討中，我們了解到虹吸現象的產生主因就 是虹吸管中的水受到重力而將虹吸鐘內的水也吸引向下。
因此我們用注氣管來測量虹吸鐘內的氣壓變化，將 注氣管另一端改放入紅色液體中，方便我們測量被吸起 的液體之高度，以了解虹吸鐘內的吸力強度，我們使用 虹吸管長度分別為20、40、60、80及100cm。
注氣管另一端放入紅色液體中，
測量液體上升高度
