※十二年國教素養導向綱要

【自然科學-第四學習階段-學習表現】

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能從學習活動、日常經驗及科技運用自然環境書刊網路媒體中，進行各種有計畫的觀察而能查覺問題。

pa-Ⅳ-2 能運用科學原理、思考智能、數學等方法，從（所得的）資訊或數據，形成解釋、發現新知、獲知因果關係、解決問題或是發現新的問題。

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動手實作解決問題或驗證自己想法，而獲得成就感。

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透過與同儕的討論，分享科學發現的樂趣。 

燃燒的產生需要三大要素，分別是可燃物(例如燃料)、助燃物(例如氧氣)以及高溫。當溫度超過所謂的燃點時，燃燒才會持續進行。我們平常“看見”的燃燒現象，是物體在劇烈的化學反應時產生高溫，並造成電漿而發出的輝光。

[進階知識] 電漿是由帶有正負電荷分離的氣體原子或分子所構成的。氣體中有許許多多可以到處移動的原子或分子，通常原子或分子上帶有一樣多的正負電荷(也就是電中性的)，並且一起移動。但是當溫度夠高時，熱的能量有可能使原子或分子上帶負電的電子脫離，使原本電中性的原子或分子變成帶正電的離子。當帶負電的電子回到帶正電的離子身邊(復合)時，放出的能量會產生光(此種發光稱為輝光)。這也就是為何我們可以看見燃燒發光的原因。

要產生上面說的電漿，通常除了用很高的溫度之外，也可以用很高的電壓讓電子從金屬上被發射出來，並且撞擊氣體，讓氣體上的電子被撞出去，因而產生離子並且發光。閃電就是這樣的現象，在高電壓的加速下，電子帶有很高的能量，在撞擊到氣體的過程中產生更多電子與離子，並在電子與離子復合時放出明亮的光。這些電漿具有很高的溫度，可以引發可燃物(例如燃料)與助燃物(例如氧氣)的化學反應，並持續產生出高溫的環境。

本實驗中，我們要動手產生火花，也就是產生可引發出火的小小電漿。引發的方式分成兩種，一是利用磨擦生熱讓低燃點的東西(例如砂輪式打火機上的人造打火石)因為高溫而燃燒。另一種是利用壓電材料(可從壓電式打火機上取得)產生的高電壓製造出的小閃電。

人造打火石通常是由燃點低的稀土元素以及鐵為主要材料。稀土元素鈰（英語：Cerium，化學符號 Ce）、鐠（英語：Praseodymium ，化學符號 Pr）與釹（英語：Neodymium ，化學符號 Nd）的燃點温度很低（鈰為165 ℃，鐠為290 ℃，釹為270 ℃）。加入鐵(與少許鎂)則可使打火石較堅硬，減少磨損速率。當打火石與砂輪磨擦時，打火石因摩擦產生少許的碎屑及高溫，使打火石碎屑上的稀土元素燃燒起來，變成噴濺出去的小火星。如果摩擦時產生的溫度不夠高，則只會產生碎屑，不會燃燒成火星。

壓電式打火機的點火裝置則主要是小小塊的壓電材料。壓電材料的特性是在受到壓力而形變時，同時可產生電壓。反過來，在施加電壓給它時，也會產生一點點形變。當壓電式打火機上的壓電材料被打火機上的撞擊器撞擊時，因為瞬間的壓力與形變，可產生高於數千伏特的電壓，進而產生瞬間的高壓放電，製造出閃電般的電漿。如果要看到明顯的閃電，除了陰極與陽極間的電壓要足夠高之外，兩者的間距也很重要。陰極與陽極距離很近時，雖然電場很強，但是電子從陰極上被發射出去後僅撞擊少量氣體就來到臨近的陽極，因此產生的電漿反而不多。反之，距離很遠時陰極與陽極間的電場太小，不足以讓電子在兩次碰撞間的空檔產生足夠的加速及能量，也就無法將其他氣體的電子撞出去產生連鎖反應。因此，陰極與陽極距離太遠時也無法產生明顯的閃電。

本實驗將透過實作，觀察上述這些現象。

1.  使用砂輪式打火機時，砂輪轉動的速度太慢就不會產生火花。以下何者正確? (a) 轉速太慢就沒有打火石碎屑產生，也沒有摩擦產生的熱。(b) 轉速太慢雖然有打火石碎屑產生，但摩擦生熱的溫度不夠高到產生燃燒。(c) 轉速太慢就沒有打火石碎屑產生，雖有摩擦產生的熱也不會有火花。

解答: (b)

2.  壓電打火機點火時會產生閃電，是因為? (a) 打火機裡面有高壓電電池，可產生高壓放電。(b) 打火機裡面有壓電材料，受到撞擊產生高壓放電。(c) 打火機裡面有燃料電池，會放出高溫高熱，產生出閃電。

解答: (b)

實驗安全事項

切勿將火靠近易燃物，嚴禁將瓦斯集中在容器中點火。

實驗時應將打火機之瓦斯出氣口調到最小，以策安全。

勿隨意使用壓電點火器產生之高壓電讓其他人觸電。

實驗廢棄物處理

打火機應將瓦斯排放用盡，破壞塑膠殼後再丟棄。打火機丟一般類資源物，需先處理後丟置垃圾車。(見參考資料3)

1.  https://zh.wikipedia.org/wiki/打火機

2.  打火石成分:  https://baike.baidu.com/item/打火石/711777

3.  打火機回收:  http://web.tydep.gov.tw/03ras/recycle/zh-tw/knowledge_112.html

壹、準備活動

★教師準備：

1.  解說板: 燃燒概念與電漿解說板、打火石成分與特性解說板、壓電材料特性與高壓放電原理解說板。

2.  叮嚀注意事項，提醒學員不可將火靠近易燃物，小心燙傷及火花噴濺，不可用高壓電電擊他人，等等。

★學生準備：

器材:

砂輪式打火機，已拆解的與未拆解的，闖關者每人各一個(可重複使用)。

壓電式打火機，已拆解的與未拆解的，闖關者每人各一個(可重複使用)。

小片鋁箔紙(約方形，邊長5公分-10公分)，闖關者每人一片。

直尺、剪刀、小一字起子，各數隻。

水，可倒在容器中備用。(沾濕與滅火用)

貳、闖關之前

關主依據各輪闖關人數，備妥器材。準備解說板，熟練步驟與解說。

参、進入關卡

(~1分鐘)1. 簡介本關名稱與目標。示範說明砂輪式打火機與壓電式打火機的特徵。

(~1分鐘)2. 關主示範用砂輪式打火機點火，提醒學員注意事項。學員跟隨操作。

(~1分鐘)3. 改讓學員用拆下金屬殼的砂輪式打火機，調小瓦斯流量[也避免壓到瓦斯開關]，嘗試轉動砂輪，觀察火花的產生。關主介紹打火石位置與成分。

(~1分鐘)4. 讓學員嘗試慢慢轉砂輪，讓打火石不產生火花。在鋁箔紙上蒐集打火石粉末。關主介紹摩擦生熱原理。

(~1分鐘)5. 讓學員小心用未拆解的打火機將粉末點火，觀察粉末的訊速燃燒，產生火星。

(~1分鐘)6. 關主改用壓電式打火機示範點火，提醒學員注意事項。學員跟隨操作。

(~1分鐘)7. 改讓學員用拆下金屬殼的壓電式打火機，調小瓦斯流量[也避免壓到瓦斯開關]，按壓點火器，觀察瓦斯出口處閃電的產生。

(~1分鐘)8. 讓學員按壓拆下來的壓電點火器，觀察閃電的產生。

(~1分鐘)9. 讓學員調整壓電點火器電線位置，改變高壓放電距離，觀察不同距離下閃電產生的情況。

(~3分鐘)10. 關主解說閃電原理。與學員問答。總結。

伍、闖關結束

學員將器材歸位，整理垃圾。填寫學習單。

項目.材料 / 數量/金額 (元)

1.砂輪式打火機 /每人1個/每個約$10元 可重複使用

2.壓電式打火機 / 每人1個/每個約$10元 可重複使用

3.鋁箔紙(邊長約5-10公分) / 每人1小片/$1

4.直尺 / 數把/$0 (文具)

5.一字小螺絲起子(或類似功能之物)/每組1個/$0 (可找免費替代物品)

6.剪刀 / 每組1把/$0 (文具)

總計 / 每人/每人少於 $21元 (可重複使用)

• 備註: 闖關時打火機可重複使用。教室上課時建議2-4人一組共用打火機。