蒸氣砲彈
壹、活動目標 Goal
在家庭中小朋友應該都看過煮開水,當茶壺裡的開水加熱煮沸後,蒸氣會產生力量推動壺蓋,而高年級自然課【天氣的變化】單元中,學生認識了水的三態變化,而【熱對物質的影響】單元裡也介紹了熱的對流,因此學生在學習過本單元後,對基本的熱傳導已有一定的觀念,適合銜接此活動,認識蒸氣所帶來的力量。
首先,師生先複習一下熱的傳播方式,尤其是課本中提到的熱對流觀察(胡椒顆粒在受熱水中的流動情形)並準備本活動所需的物品(如肆、活動材料所述),接下來請學生在試管中裝水,管口塞保麗龍球,點燃酒精燈,在試管底部加熱,觀察保麗龍球的彈射情形。
大概念 Big Idea
氣體的體積會隨著溫度的變化而改變
燃燒所產生的熱能轉換成動能
核心問題(探究問題) Essential Question
※蒸氣怎麼產生力量將保麗龍球推出?
教學對象
國小生5~6年級
教學時間
40分鐘/1節課
作者(服務單位)
柯凱珮、沈敬堯(花蓮縣立北埔國小)
通訊作者e-mail
柯凱珮chchch68@gmail.com
貳、課程綱要對照 Course Outline
【自然科-學習內容】
INa-Ⅲ-2 物質各有不同性質,有些性質會隨溫度而改變。
INa-Ⅲ-4 空氣由各種不同氣體所組成,空氣具有熱脹冷縮的性質。氣體無一定的形狀與體積。
INa-Ⅲ-5 不同種類的能源與不同形態的能量可以相互轉換,但總量不變。
【自然科-學習表現】
ti-Ⅲ-1 能運用好奇心察覺日常生活現象的規律性會因為某些改變而產生差異,並能依據已知的科學知識科學方法想像可能發生的事情,以察覺不同的方法,也常能做出不同的成品。
ah -Ⅲ-1 利用科學知識理解日常生活觀察到的現象。
參、活動原理 Theory
【原理】
1.當液體被加熱時,液體分子可以獲得能量讓分子更快速的移動,最後分子有足夠的能量掙脫彼此之間結合的束縛而遠離,掙脫後則形成氣體分子。
2.水受熱變成水蒸氣時,體積大約會增加1600倍,由於體積的膨脹而產生極大的力量,將保麗龍球從試管口射出。
3.在質量一定的情況下,能量既不會無中生有,也不會消失,只是由一種形式的能量轉換成另一種或多種形式的能量,但能量的總值維持不變。
【步驟】
1. 利用試管夾、酒精燈架、實驗鐵架組裝成如右圖。
2. 試管裡裝水約三分之一,加入少許胡椒顆粒,管口塞上保麗龍球。
3. 利用試管夾,夾住裝水的試管。
4. 點燃酒精燈使之燃燒試管的底部。
5. 觀察試管中熱對流及沸騰現象,約2分鐘保麗龍球彈射而出。
6. 若直接使用熱水來做實驗,保麗龍球只需十幾秒即可射出。
7.(若學生操作時會害怕,請學生離開實驗裝置一段距離
來觀察。)
【圖一】
【圖一】
肆、活動材料 Material
器材
試管、保麗龍球(保麗龍球尺寸需與試管配合)、酒精燈、甲醇、小漏斗、試管夾、打火機、胡椒顆粒、三腳架、石棉網、燒杯鐵架。
【圖二】
藥品
無
【圖二】
伍、活動步驟 Step
第一部分
1.課前指導學生收集並分組準備保麗龍球、小漏斗。
2.教師準備酒精燈、甲醇、打火機、試管、試管夾、胡椒顆粒、三腳架、石棉網、燒杯鐵架。
3.教師將學生異質分組,每組約4-5人。
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第二部分
一、複習課本內容—水的三態及熱對流實驗:【圖三】
1.水的三態:複習重點放在液體與氣體的轉換形態,並讓學生說一說將茶壺加熱煮沸,觀察蒸氣力量掀動茶壺口鐵片的現象。
2.熱對流實驗:液體的傳熱方式主要是靠受熱後液體本身的流動,把熱傳開來,熱水因密度較小而上升,冷水因密度較大而下降,藉著上下流動,最後水都會熱起來。
二、蒸氣砲彈遊戲:【圖四】
1.在實驗桌上架好裝置,並講解安全規則。
2.各組在試管內裝三分之一的水,加入少許胡椒顆粒,用保麗龍球將管口塞住。
3.利用試管夾,夾住裝水的試管。
4.點燃酒精燈使之燃燒試管的底部。
5.觀察試管中熱對流及沸騰現象,約2分鐘保麗龍球彈射而出。
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第三部分
一、指導學生上網收集有哪些機器裝置是利用蒸汽力量來推動(可討論工業革命時代的蒸汽機原理)。
二、可進行各組比賽:
1.各組準備一個小紙盒,事先預測砲彈落點,並將小紙盒放置在預測點。
2.各組重覆一次遊戲,若砲彈正確落入紙盒者獲勝,可得到小獎品。
三、請各組同學將結果及原理記錄在筆記本上。
【圖三】
【圖四】
教案學習單
(待調整)
1.當物質受熱時體積通常會膨脹,遇冷時體積通常會縮小,這種性質稱為 。水受熱變成水蒸氣時,體積大約會變成原體積的( )倍。
2.( )從蒸氣砲彈遊戲中可以得知什麼能量的轉換?(1)熱能→電能(2)熱能→動能(3)電能→熱能。
3.本活動中,在試管的水中加入胡椒顆粒的原因是 。
【解答】1.熱脹冷縮,1600 2.(2) 3.便於觀察水的熱對流。
實作注意事項
實驗安全事項
1. 管口不要對著臉,以免被保麗龍球打到。
2. 倒入酒精時需用漏斗,以免溢出,點燃酒精燈時要小心,旁邊可準備濕抹布。
3. 勿使用有裂痕的試管,以免燃燒時爆裂。(若學生會害怕,可讓操作的學生戴上護目鏡或離開實驗裝置一段距離觀察。)
4. 使用打火機點燃酒精燈,不可用酒精燈互點。
實驗廢棄物處理
無
教學心得
學生在國小高年級自然課已接觸【熱對物質的影響】單元,應該也都有看過水沸騰的經驗,因此這個活動主要是讓學生以背景知識去延伸蒸氣力量的遊戲。也有學生在進行活動時以蠟燭來取代酒精燈,一樣可使保麗龍球彈射出去,但試管接觸蠟燭火焰的地方會立即變黑,所以一結束必須立即清洗。
不建議保麗龍球用太多次,因為同一顆球承受蒸氣多次會變形,可能會影響塞住試管的狀況。
參考資料
國立編譯館(1974)。自然科教學指引手冊。北市:國立編譯館。
陳佳揮:水蒸汽性質。https://www.afa95.com/download/file/%E6%B0%B4%E8%92%B8%E6%B1%BD%E6%80%A7%E8%B3%AA.pdf
闖關活動(十分鐘)
壹、準備活動
★教師準備:
1.闖關地點預先放置長桌子。
2.準備材料:
試管、保麗龍球(保麗龍球尺寸需與試管配合)、酒精燈、工業酒精、小漏斗、試管夾、打火機、燒杯鐵架、三腳架、石棉網、胡椒顆粒。
3.張貼操作說明海報。
4.印製闖關卡:闖關卡為雙面,正面是闖關順序蓋章處,背面則是學習單。
闖關卡請用較厚的紙張印製。
5.準備過關印章。
★學生準備:
1.異質分組,每一組約3-4人。教師在闖關前先發下闖關卡交由組長保管。
2.各組推派一位敢點火的同學,由他點燃酒精燈較為安全。
貳、闖關之前
1.關主及學生就位,關主負責解說闖關步驟、說明器材,副關主則指導學
生進行操作。
2.宣導學生不要在場內奔跑,闖關時需站立於長桌外側面向關主。
3.關主先在桌面中間放置好酒精燈、打火機,並注意用火安全。
参、進入關卡
(1分鐘)1.關主請小組列隊,小組向關主問好。
(3分鐘)2.關主介紹關名「蒸氣砲彈」,利用海報說明操作過程。
(2分鐘)3.各組派一位組員點燃酒精燈,其他組員負責裝水、撒入胡椒顆粒、裝試管夾及塞保麗龍球。
(4分鐘)4.開始在試管底部加熱,觀察熱對流狀況,砲彈射出即過關。
5.關主掌握時間及隨時給予指導,闖關結束,小組離開前往下一關。
肆、闖關結束
書寫3題學習單問題,收回闖關卡。
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.酒精燈/4個/$120*4=$480
2.工業酒精(甲醇)/4瓶/$55*4=$220
3.試管/20支/$15*20=$300
4.試管夾/4支/$50*4=$200
5.打火機/學校自備
6.漏斗/4個/$20*4=$80
7.保麗龍球/4包(2㎝)/$15*4=$60
8.實驗鐵架、三腳架、石棉網/學校自備
總計 / 每人次(或每組)/共$1340元/每組約$59元