火龍捲

 

壹、活動目標  Goal 

藉由實作了解火龍捲、氣旋等現象。

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【圖一】（圖片來源：參考資料1） 

【圖一】

大概念 Big Idea 

部分空氣受熱帶動「空氣對流」以及使用外力來「旋轉空氣」，能產生火龍捲。 

核心問題(探究問題) Essential Question 

教學對象

教學時間

作者(服務單位) 

通訊作者e-mail 

wcy2@gms.ndhu.edu.tw 

貳、課程綱要對照 Course Outline 

1-3-1-1能依規劃的實驗步驟來執行操作。

1-3-3-3由系列的相關活動，綜合說出活動的主要特徵。

1-3-5-3清楚的傳述科學探究的過程和結果。

1-4-3-2依資料推測其屬性及因果關係。

1-4-5-3將研究的內容作有條理的、科學性的陳述。

2-3-5-1知道熱由高溫往低溫傳播，傳播的方式有傳導、對流、輻射。

※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】

po -Ⅳ-1

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。

ai-Ⅳ-1

動手實作解決問題或驗證自己想法，而獲得成就感。

ai-Ⅳ-2

透過與同儕的討論，分享科學發現的樂趣。

參、活動原理 Theory 

1.  火龍捲的原理主要是和有關，一般情況下的空氣對流主要是有部分空氣受熱膨脹而上升，引導周遭的空氣流入彌補，進而形成上下循環的現象，如下圖所示。不過一般情況下並不會有【龍捲】的現象出現，要有龍捲的現象，還需要有一點【旋轉】的動力存在。

【圖二】（圖片來源：參考資料2） 

2.  旋轉的產生，可以（如參考資料3、4），也可以用曲面導板讓空氣在流入的過程中自然轉彎，進而形成螺旋氣流，造成火龍捲的現象，如下圖所示，火焰被兩個半圓柱形圍起來，半圓柱稍微錯開產生兩道縫隙，外圍空氣經由這兩道縫隙流入之後，被半圓柱引導而轉彎，進而形成螺旋狀環繞而上的氣流，而燃燒中的物質粒子隨著氣流而上，就形成我們看到的火龍捲。

【圖三】（圖片來源：參考資料5.b）

本教案採用曲面導板引導氣流產生螺旋的方式進行，因為器材較為簡易。

【圖二】

【圖三】

肆、活動材料 Material 

器材

1.半圓柱透明導板2個（玻璃為佳，壓克力、寶特瓶等材質亦可），參考尺寸如圖

【圖四】（圖片來源：參考資料5.a） 

2.酒精（或相似物質）、線香（或燃燒後可產生煙霧但無明火的物質）

3.容器、點火器

4.攝影器材、濕抹布或滅火器

可以額外準備一些含有金屬離子的溶液，加入酒精後可以改變燃燒的顏色產生特別的視覺效果

藥品

無 

【圖四】

伍、活動步驟 Step 

第一部分

1.  將容器放在一個平坦桌面，注入適量酒精（週圍易燃物挪至安全距離以外，濕抹布或滅火器放在隨手可得的地方）

2.  點燃酒精，將兩個半圓柱合併成一個完整圓柱，將容器圍在圓柱中間，觀察火焰的情況，此時火焰的狀況跟圍起來之前比較應該變化不大，還沒有火龍捲產生，如下圖所示。 

【圖五】（圖片來源：參考資料5）

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第二部分

3.  將兩個半圓柱稍微錯開一點，讓兩邊各有一個隙縫，再次觀察火焰的情形，此時應有機會形成火龍捲。 

【圖六】（圖片來源：參考資料5）

4.  改用線香等能產生煙霧的物質試試看能否產生煙龍捲？

【圖七】（圖片來源：參考資料5）

第三部分

5.  時間許可的話，可以在酒精中加入含有金屬離子的溶液，如下圖左邊加了含有鋰離子的溶液後火焰變成洋紅色，右邊再增加銅離子產生綠色（參考資料6）

【圖八】（圖片來源：參考資料5） 

【圖五】

【圖六】

【圖七】

【圖八】

教案學習單

（待調整）

1.  定性說明氣體對流的現象。

2.  定性解釋氣旋產生的原理。

 

【解答】

1.  氣體會產生對流主要是因為

1、  部分氣體由於溫度上升密度變小而往上移動，引起周圍溫度較低密度較大的空氣流入填補；

2、  氣體上升後溫度會下降，密度變回正常而停止上升，受到周圍流入填補的氣流引導而往下沉，如此而形成對流。

2.  氣旋的產生主要是在氣流上升或下降過程中，可能因為

1、  受到外力，或者

2、  受到導流板的影響

導致過程中持續轉向，形成邊上升（或下降）邊旋轉的現象。 

實作注意事項 

實驗安全事項

本實驗使用明火，因此要準備好濕抹布或者滅火器可以隨時滅火。

避免同時間多個實驗進行，以策安全。

實驗廢棄物處理

本實驗的容器及透明導板等均可回收再使用，無須丟棄。

未使用的酒精應確實密閉回收。

若有使用含金屬離子溶液，則未用完的部分應確實密閉回收。

教學心得

以簡易材料自製火龍捲裝置，可操作，少藥品，易觀察，能協助學生認識氣體對流、氣旋、火龍捲反應。

導板的間隙需要多大才能產生明顯氣旋，可能要稍微拿捏一下，但不至於太困難。 

參考資料 

1.    藍色火龍捲 https://www.masters.tw/181334/blue-whirl

2.    熱對流 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heatra.html

3.    火龍捲+焰色反應 https://youtu.be/hs5xeOUI50A?t=212

4.    火龍捲—酷科學演示 https://youtu.be/A2KaJkacR80?t=77

5.    NTCU科學遊戲實驗室 火龍捲

影片https://www.facebook.com/watch/?v=688641821305012

說明  http://scigame.ntcu.edu.tw/chemistry/chemistry-036.html

6.  維基百科焰色反應https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%84%B0%E8%89%B2%E5%8F%8D%E5%BA%94 

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。

1.  需要先製作或購買半圓柱，闖關時才不會消耗太多時間

2.  容器與點火器可以多一點備用

3.  一定要準備足夠的濕抹布或者滅火器

4.  可以製作不同尺寸的半圓柱，讓學生嘗試不同尺寸的組合所產生的效果

5.  可以準備製作酒精膏的材料，讓學生自製酒精膏作為燃料

6.  可以準備一些含有金屬離子的溶液，有時間的話可以加入酒精以改變火焰的顏色

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

關主需要

1.  確保濕抹布與滅火器隨手可得

2.  確保周遭易然物在安全距離以外

學員

1.  領取導板、容器、點火器

2.  領取酒精（或製作酒精膏的材料）

 

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

1、  關主利用說明板(一)說明實驗原理。

2、  關主利用說明板(二)說明製作步驟及注意事項。

3、  學生實作。關主要掌握時間和隨時給予指導、提醒。

1.  將容器放在桌子中央，其他物品放在旁邊

2.  如果有準備酒精膏材料，可以讓學員製作酒精膏

3.  將酒精（膏）放入容器中，確保周遭沒有其他易燃物之後點火讓酒精開始燃燒。

4.  用導板將火焰圍起來，試著找出能產生火龍捲的情況

5. 時間夠的話可以多一道加入含有不同金屬離子的溶液以改變火焰的顏色。

4、  完成作品的學生可以測試，視通過人數給予集點小貼紙。

5、  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。

6、  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。

7、  關主總結實驗概念及生活應用。

8、  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.壓克力半圓柱透明導板2個，直徑約8~10公分，長度約20~26公分。/圓柱形壓克力一個（直徑10公分長度約20公分），切成兩個半圓柱，200元。

2.粗短線香（或燃燒後可產生煙霧但無明火的物質）/粗短線香一盒200元，60支以上，每支約3元，每組可用2~4支，約10元（一般香燭店有販售）

3.點火器/打火機15元或使用現有點火裝置

4.攝影器材、濕抹布或滅火器。可準備水，結束時用來熄滅線香/攝影器材可用手機，滅火器材可以現有設備因應，無需額外花費


總計 / 每人次(或每組)/共約225元/每組