液氣交換酒精槍
壹、活動目標 Goal
使用生活周遭容易取得之材料,製作簡易的物理及化學實驗裝置,觀察現象(能量轉換模式的應用,例如:化學能→動能),並了解對應的科學概念及原理。
大概念 Big Idea
燃燒:氣態酒精是可燃物,空罐中的氧是助燃物,壓電素子的弧狀火星是燃點,同時具備三者,就可產生燃燒。
爆炸:時間最短、燃燒最快、熱能最大,但須在密閉空間進行。
核心問題(探究問題) Essential Question
如何產生燃燒及爆炸反應?
如何推動酒精槍?
教學對象
國小生4~6年級
教學時間
20分鐘/1節課
作者(服務單位)
1蔡正立[台北市立兒童育樂營(前)]
2仿生與環境工作坊團隊
通訊作者e-mail
m0918311036@kimo.com
貳、課程綱要對照 Course Outline
【自然科學-第二、三學習階段-學習表現】
tc-II-1 能簡單分辨或分類所觀察到的自然科學現象。
tm-II -1 能經由觀察自然界現象之間的關係,理解簡單的概念模型,進而與其生活經驗連結。 ai-II-3 透過動手實作,享受以成品來表現自己構想的樂趣。
ai -III-1透過科學探索了解現象發生的原因或機制,滿足好奇心。
【自然科學-第二、三學習階段-學習內容】
INe-III-2 物質的形態與性質可因燃燒、生鏽、發酵、酸鹼作用等而改變或形成新物質,這些改變有些會和溫度、水、空氣、光等有關。改變要能發生,常需要具備一些條件。
INe-III-3 燃燒是物質與氧劇烈作用的現象,燃燒必須同時具備可燃物、助燃物,並達到燃點等三個要素。
參、活動原理 Theory
一、加兩滴酒精於多多罐中,以手掌的溫度來隔罐加熱,讓酒精液體揮發為氣體。以壓電素子撞擊產生的電弧火花,快速燃燒,隨著爆炸聲「碰!」,多多罐就飛到五公尺外!
二、水變成水蒸汽的體積約增加1600倍。使用滴管時,20滴水約體積1cc,每滴水約體積0.05cc。多多罐的空間為100cc,換算後約16分之1cc的水(或1.25滴水)轉換的水蒸汽就可充滿多多罐。約1∼2滴的酒精液體可足夠變成100cc的酒精氣體。
三、因為密閉的多多空罐中沒有流動的空氣,我們用自己的體溫來幫忙液氣相的轉換。將1∼2滴的酒精放入玻璃瓶,再將容器放在上衣或褲子口袋或用兩手掌包覆容器,厚度很薄的多多罐與恆溫的身体接觸,很快就能讓液態酒精變成氣態。
四、燃燒三要素:氣態酒精是可燃物,空罐中的氧是助燃物,壓電素子的弧狀火星是燃點,同時具備三者,就可產生燃燒。
五、爆炸:簡單來說,時間最短、燃燒最快、熱能最大,但須在密閉空間進行。酒精燃點低易揮發,加熱後的酒精氣體體積快速增加,因為空罐被塞子塞住(不是被螺紋卡鎖),且塞子和空罐的摩擦力不足以卡住多多罐,隨著「碰!」多多罐應聲飛出!
肆、活動材料 Material
器材
橡膠塞(長2.5cm、尖端直徑約2cm、鈍端直徑約2.5cm)、塑膠長管(直徑1cm,長18cm)、壓電素子、竹籤(直徑約3mm、長約10cm) 、多多罐、液體酒精、電鑽或錐子(或稱[木柄針車鑽子])、熱溶膠槍、透明膠帶、剪刀
藥品
酒精
伍、活動步驟 Step
第一部分
實驗材料預作 (10分鐘)
壓電素子點火單元本體:首先將塑膠長管由頂端往下5.5cm處鑽一小孔(剛好置入壓電素子之底部),再用熱熔膠槍固定壓電素子於塑膠長管上。用電鑽或錐子將橡膠塞鑽出2個各為3mm之小孔洞(圖1),一孔洞穿過上述之壓電素子的點火線、另一孔洞穿過竹籤(加強支撐、固定用),並用透明膠帶固定點火線及竹籤於塑膠長管上,適當補強(圖2)。
【圖1至圖6】
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第二部分
酒精裝入噴霧罐,噴入1~2滴液體酒精至多多罐,將瓶口擦乾,以橡皮塞塞住多多瓶口,製造密閉空間(圖5)。
以手心溫暖多多罐,發射火箭囉(圖6)!
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第三部分
變因控制
變換罐子、酒精量、酒精濃度、發射目標距離…來測威力
哪些變因會影響酒精槍的噴射距離?
【圖1】以電鑽鑽孔橡皮塞,塞入塑膠棍、竹籤和壓電素子。
【圖2】以膠帶固定及補強點火線和竹籤。
【圖3】壓電素子點火單元(尺寸參考)
【圖4】組合圖
【圖5】噴入1~2滴液體酒精至多多罐,以橡皮塞塞住多多瓶口。
【圖6】以手心溫暖多多罐,發射火箭囉!
教案學習單
(待調整)
1. 為什麼多多罐會如砲彈般飛出去?
參考答案:
酒精燃點低易揮發,加熱後的酒精氣體體積快速增加,因為空罐被塞子塞住(不是被螺紋卡鎖),且塞子和空罐的摩擦力不足以卡住多多罐,隨著「碰!」多多罐應聲飛出!
2. 發射第二次以上時,有時需要先搖動瓶子再點火,為什麼?
參考答案:
酒精燃燒產生二氧化碳及水,可能留在多多罐內造成氧氣太少不易燃燒,搖動多多罐讓新鮮空氣進入。CH3CH2OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O
3. 如何控制多多罐的噴射距離?
參考答案:
調整罐子大小、酒精量、酒精濃度、空氣(氧氣)量、其他燃點低易揮發的液體…等。
實作注意事項
實驗安全事項
1. 宣導並注意學生用火安全。
2. 控制酒精用量,擦乾瓶口。
3. 不能將多多罐塞得過緊,以防爆裂。
實驗廢棄物處理
回收可利用材料。
教學心得
以簡易材料自製微型裝置,可操作,少藥品,易觀察,能協助學生認識燃燒、爆炸、液氣相的體積變化的原理,並兼具綠色化學及環保概念。
參考資料
闖關活動(十分鐘)
★教師準備:
一、闖關地點預先放置長桌子。
二、實驗準備材料:如上述。必須先完成實驗材料預作。
三、製作工具:如上述。
四、預先製作一件作品當範本。
五、闖關卡。
六、說明板(一):原理、說明板(二):製作步驟及注意事項。
★學生準備:
一、預先分組。每組5-6人。
貳、闖關之前
一、闖關負責關主及學生就位。約需兩人,關主負責解說指導,副關主負責指導與通過與不通過判定。
二、預先集合參加同學,以小組隊伍排列。
三、說明關卡配置與發下小組闖關卡。
四、安全宣導,請小朋友注意安全,不可以在場地內奔跑。
五、請學生注意禮貌,進入關關卡和離開關卡都要跟關主問好。
参、進入關卡
一、關主利用說明板(一)說明實驗原理。
二、關主利用說明板(二)說明製作步驟及注意事項。
三、學生實作。關主要掌握時間和隨時給予指導、提醒。
四、完成作品的學生可以測試,視通過人數給予集點小貼紙。
五、若尚有時間,可請未通過學生參考組員或請組員幫忙,改進錯誤後,再試一下。
六、請未通過組員及通過組員說明製作的訣竅或有什麼新發現。
七、關主總結實驗概念及生活應用。
八、關主在闖關卡上簽名或蓋通過章。
伍、闖關結束
一、鼓勵學生繼續闖下一關,或到服務台交回闖關集點卡。
二、請學生說明參加闖關的心得感想與各關卡的相關科學原理。
三、鼓勵學生設計與製作更多有創意的DIY玩具。
預算表
每人次/每組的材料及預算(*以一組為單位)
項目.材料 / 數量/金額 (元)
1.橡膠塞(長2.5cm、直徑約2cm、2.5cm) /1個
2.塑膠長管(直徑1cm,長18cm)/1隻
3.壓電素子/1個/
4.竹籤(直徑約3mm、長約10cm)/ 隻
5.多多罐/1個/回收
6.液體酒精75%/ 1-2滴/自備
7.電鑽或錐子/1個/自備
8.熱熔膠/自備
9.熱熔槍/1/自備
10.透明膠帶/少許/自備
11.剪刀/1把/自備
總計 / 每人次(或每組)/$35