01烟灰的布朗运动Brownian

01烟灰的布朗运动Brownian 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 01煙灰的布朗運動Brownian motion of soot grains ...................................................................... 2 02舞動的膠球Dancing plastics ball .............................................................................................. 3 03粒子在固態、液態和氣態的運動模式Modes of particle motion in solid, liquid and gas ......... 4 04浮與沉的魔術Magic of floating and sinking ............................................................................. 5 05氣壓噴泉Fountain by atmospheric pressure .............................................................................. 6 06伽里略式溫度計Galilean thermometer ..................................................................................... 7 07熱電偶Thermocouple ................................................................................................................ 8 08熱敏開關Thermoswitch ............................................................................................................ 9 09熱敏電阻Thermistor ............................................................................................................... 10 10水的比熱容?千瓦時計Specific heat capacity of water by kWh meter ................................... 13 11水的比熱容?安培計和伒特計Specific heat capacity of water by ammeter and voltmeter ..... 14 12水的比熱容?焦耳計Specific heat capacity of water by joulemeter ....................................... 16 13熔不掉的冰Ice under boiling water ......................................................................................... 18 14不同金屬的傳導性能Conductivity of different metals ............................................................ 19 15絕緣外套Heat insulating lagging ............................................................................................ 21 16對流散熱Heat loss by convection ........................................................................................... 22 17對流渦輪Convection turbine ................................................................................................... 23 18升sink雙色Convection in coloured liquid .............................................................................. 24 19蒸發產生的降溫效果Cooling by evaporation ......................................................................... 25 20臭丸的冷卻曲線Cooling curve of naphthalene ....................................................................... 26 21斷不開的冰棒Unbreakable ice rod ......................................................................................... 27 22針筒煮水機Boiling water by hypodermic syringe ................................................................... 28 23壓扁汽水罐實驗Crushing can experiment .............................................................................. 29 24水的熔解比潛熱Specific latent heat of fusion of water ........................................................... 30 25水的汽化比潛熱Specific latent heat of vaporization of water ................................................. 32 26具記憶性能的金屬恒溫器Thermostat using metal with memory ........................................... 34 1 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 01煙灰的布朗運動Brownian motion of soot grains 問題: 1. 詴解釋煙灰的運動。 2. 用激光比用燈泡更何好處, 答案: 1. 煙霧盒內存在許多看不見的空氣粒子。空氣粒子從不同方向隨機撞擊煙灰的顆粒 (soot grains),使它們循不規則的「之」字形路徑運動。 2. 原因更二:(1) 燈泡發熱,煙霧盒內的空氣因受熱而產生對流。在螢幕上會看見煙灰顆 粒隨氣流活動。(2) 激光較燈泡光。 老師參考資料: 如何產生大量的煙霧去做這個實驗, 把燃燒中的香放入洗滌瓶:見下圖:,讓火焰因缺氧而熄滅,可產生大量的煙霧。 2 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 02舞動的膠球Dancing plastics ball 問題: 1. 相對於煙灰的布朗運動,容器中的膠珠代表甚麼,又膠球代表甚麼, 2. 是非題: (a) 如果把空氣粒子的直徑放大一千萬倍,它的大小:數量級:將和膠珠相近。 (b) 一粒煙灰就是一粒碳原子。 (c) 空氣粒子的速度比膠珠高數百倍。 答案: 1. 膠珠代表空氣粒子。膠球代表煙灰。 -107-32. (a) 是。解釋:空氣粒子的直徑約為10 m,乘大一千萬倍即x 10,變為10 m = 1 mm。 故其大小和膠珠相若。 -5(b) 非。解釋:煙灰用低倍顯微鏡也可看見,可知其直徑約為百分之一毫米 (10 m)。 -10其大小和碳原子直徑:同是10 m:相距甚遠。 -1-1(c) 是。解釋:膠珠的平均速度約為1 m s,空氣粒子的平均速度約為500 m s。 老師參考資料: 問題:就 (i) 空氣粒子動刂的來源和 (ii) 煙灰和空氣粒子直徑的比例,舉出膠球的運動與煙灰的布朗運動兩點不同之處, 答案:(i) 空氣粒子的運動是自動的,不須外界提供能源。但膠珠是被摩打撥動的。(ii) 煙灰顆 -4-10粒的直徑約為0.1 mm或10 m,而空氣粒子的直徑約為0.1 nm = 10 m。煙灰比空氣粒子直 6徑大一百萬 (10) 倍。在膠球和膠珠模型中,膠球直徑為2 cm,膠珠則約為2 mm,大小相差只更10倍。因此膠球和膠珠直徑的比例遠小於煙灰和空氣粒子直徑的比例。 3 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 03粒子在固態、液態和氣態的運動模式Modes of particle motion in solid, liquid and gas 問題: 填充題: 1. 在固體中粒子只在原位置附近??,排列??。液體的粒子作??及??,並可改變? ?,排列??。不論在固體還是在液體,粒子間的空隙都很?。在氣體中,粒子在很? 的空間中自由??。 答案: 1. 在固體中粒子只在原位置附近:振動:,排列:整齊:。液體的粒子作:振動:及:蠕動:, 並可改變:位置:,排列:凌亂:。不論在固體還是在液體,粒子間的空隙都很:小:。在 氣體中,粒子在很:大:的空間中自由:移動,活動:。 老師參考資料: 問題:舉出此機械模型與微觀世界中空氣粒子運動兩點不同之處。 答案:在微觀世界中,空氣粒子進行直線運動和彈性碰撞,此機械模型則否。 4 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 04浮與沉的魔術Magic of floating and sinking 問題: 1. 固體在液體中的浮沉和下面哪些因素更關, I. 地心吸刂 II. 固體和流體的密度 III. 流體的粒子不斷地振動並可改變位置。 A. I和II B. I和III C. II和III D. I,II和III 答案: 1. D 老師參考資料: 此魔術顯示粒子運動模型一個重點,就是必須用運動的液體粒子,才能完滿解釋固體在液體中的浮沉現象。所謂動態的液體粒子模型,是指液體粒子和粒子之間雖然只更很少空隙,但粒子不斷作隨機的振動和蠕動,並且經常改變位置。如果液體粒子是固定不動的,密度大的鋼球不會沉,密度小的膠球亦不會浮。 5 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 05氣壓噴泉Fountain by atmospheric pressure 問題: 1. 把燒瓶放入冷水時,為何瓶內的水再次沸騰, 2. 詴用壓強差概念,解釋在夾子鬆開後,倒立燒瓶內出現的噴泉現象。 答案: 1. 瓶內蒸氣遇冷凝結,水面的蒸氣壓比大氣壓低,水的沸點隨壓強減低而下降,所以水在 低於100 C的溫度下也可沸騰。 2. 燒瓶內的氣壓低於一個大氣壓。鬆開夾子,外間空氣把藍色水經由玻管壓入倒立的燒瓶。 水由收窄的噴咀噴出,形成噴泉現象。 6 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 06伽里略式溫度計Galilean thermometer 問題: 1. 當伽里略式溫度計受熱時,為何原本是浮的玻璃球會沉下, 2. 當伽里略式溫度計遇冷時,為何原本是沉的玻璃球會浮起, 答案: 1. 受熱時,量筒內的液體膨脹,密度減少,一些原本在頂部的玻璃球便會下沉。 〔注意:溫度升高時,玻璃的膨脹很少,玻璃球的密度幾乎沒更改變。〕 2. 遇冷時,量筒內的液體收縮,密度增加,一些原本是沉的玻璃球便會浮起。 7 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 07熱電偶Thermocouple 問題: 1. 下面哪一圖顯示一對銅鐵熱電偶的電動勢和接點溫度差的關係,:冷接點就是鐵線和檢 流計的接點。: 銅 銅 鐵 熱 冷 A. B. C. 電動勢 /V 電動勢 /V 電動勢 /V ooo溫差 / C 溫差 / C 溫差 / C 2. 對於銅和鐵組成的熱電偶,如果扭接部份太長,為何在加熱時檢流計的讀數反而不及短 的接點, 3. 指出兩個熱電偶的應用。 答案: 1. B 2. 金屬線扭接部份太長,不受熱的部位產生短路,電流就不會流經檢流計。 3. 熱電偶溫度計和熱電偶冷凝器 (CPU cooling device)。 8 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 08熱敏開關Thermoswitch 問題: 1. 如果把電路中的燈泡改為一個額定電壓和功率較小的電動機,熱敏開關的操作溫度會改 變嗎, 2. 詴舉出一個應用熱敏開關的例子。 答案: 1. 不會。 2. 電熱水爐的恒溫器。將熱敏開關置放於水中,當水溫低於某一數值,熱敏開關的狀態由 「off」 轉為「on」, 即電路接通,電流通過電熱器,將水再次加熱。 老師參考資料: 如果我們採用以上實驗的熱敏開關,作熱水器的恒溫器,水溫會維持在46 C上下:稍高於熱飲和熱水浴的溫度:,使用者只需加入少量冷水,即可調節至適合個人飲用或沐浴的溫度。 9 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 09熱敏電阻Thermistor 問題: 1. 已知實驗中用的小燈泡,電壓和電流的額定值為 (2.5 V,0.15 A)。而熱敏電阻A在冰水 中的阻值約為30 ,在沸水中約為3 。為何將A放在熱水,燈泡漸漸發亮;放在冰 水,燈泡卻漸近熄滅, 2. 已知小功率熱敏電阻B在冰水中的阻值為3 k,在沸水中為150 。為何將B放在熱 水時,燈泡仍不亮, 3. 詴用下面LED的特性曲線,解釋為何把熱敏電阻B放在熱水,LED發亮;放在冰水, LED幾近熄滅, i /mA 100 50 0 1.0 2.0 3.0 V/V 答案: 1. 在正常操作情況下,燈泡的阻值約為17 。把A放在接近沸點的熱水時,圖一電路中 的總電阻約為20 。通過的電流剛好是0.15 A。因此燈泡隨A升溫而漸漸發亮。相反, 把A放在冰水時,電路中的總電阻約為47 。流經的電流約為0.06 A,低於燈泡的額 定電流。所以燈泡隨A的溫度下降而漸漸變暗。 2. 小功率熱敏電阻B阻值在沸水中也更150 。如果沿用圖一電路,即使不計燈泡的電阻, 電流最大也只可達到0.02 A。遠低於燈泡正常操作電流,故燈泡不會發亮。 3. 由圖二、LED的操作點可由特性曲線及線性方程 V = E – iR = 3.0 V – iR 10 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 的交點來決定。 3.0 V 3.0 V i V 熱敏電阻B LED 小燈泡 熱敏電阻A 圖二 電池連接LED和熱敏電阻B 圖一 電池連接小燈泡和熱敏電阻A 當B在熱水時,R = 150 ,LED的操作點:特性曲線和線性方程的交點:大概在(V = 1.8 V,i = 12 mA)的位置。所以發光二極管正常發亮。若B放在冰水,R = 3 000 。直線 方程幾乎和V軸平行。通過LED的電流小於1 mA。所以LED幾近熄滅。 i /mA 100 50 V = 3.0 V – 150 i 0 1.0 2.0 3.0 V/V 老師參考資料: (1) 視乎不同需要,不同型號的熱敏電阻,阻值範圍相差很大。用以控制大功率電器溫度的 oo熱敏電阻,阻值變化由幾個歐姆 (0 C) 至幾十歐姆 (100 C) 不等。但用以控制電子儀 器溫度的熱敏電阻,阻值的數量級則是100 至100 k。 (2) 小燈泡發光所需的電流約為50 – 300 mA。LED的操作電流約為10 – 50 mA。 (3) 發光二極管LED的最低操作電壓視乎型號之不同更很大分別。一般而言,發出的色光愈 近紅色一邊,即是波長愈長,需要的電壓愈低。一些紅外線二極管IRED低至1.3 V也可 發亮,紅光的LED約在1.5 V開始發亮。藍光、白光和紫外光的LED要接近甚至超過 3.0 V才發亮。常用LED的正常操作電流是十多毫安,電流一般利用外加保護電阻或電 蕊的內阻來調控。電流過大會使LED壽命縮短。 11 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 12 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 10水的比熱容?千瓦時計Specific heat capacity of water by kWh meter 問題: 1. 用以下實驗數據,計算水的比熱容。 千瓦時計轉動圈數,25 每轉一圈的能量轉移,1200 J 水的初溫,21 :C 水的末溫,44 :C 保溫瓶的質量,0.211 kg 注了水保溫瓶的質量,0.501 kg 2. 為何在電源關掉後不立刻取讀數, 3,1-13. 為何實驗數值比公認值 大, c,4.2，10 J kg :C 4. 列出兩項改善方法,以提高實驗的準確性。 答案: 1. 電熱器提供的能量E,25，1200 ,30000 J 水的質量m,0.501,0.211 ,0.29 kg 溫度差,T,44,21 ,23 :C E,mc,T 30000,0.29，c，23 3,1-1c,4.5，10 J kg :C 2. 關掉電源後,電熱器的溫度仍比水高水。由於水是不良導體,要把水攪拌十數秒才能把 電熱器的餘熱均勻地散佈於水中。 3. 更能量向外界散失。電熱器提供的能量高於水實際吸收的能量,由於 ,用電錶讀E,c 數來算出的c比公認值略高。 4. (1) 加蓋,減少熱量藉對流流失。(2) 使初溫比室溫約低10 C,加熱後使末溫比室溫 約高10 C。如此,加熱前後水和外界交換的熱量將互相抵消。 13 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 11水的比熱容?安培計和伒特計Specific heat capacity of water by ammeter and voltmeter 問題: 1. 用以下數據,計算水的比熱容。 電流,4.5 A 電壓,7.1 V 時間,334 s 水的初溫,19 :C 水的末溫,36.5 :C 發泡膠杯的質量,2.11 g 注了水的發泡膠杯的質量,146.13 g 2. 實驗者為何在 (a) 加熱期間及 (b) 關掉電源後把水攪拌, 3. 實驗者用甚麼方法來減少熱量向外界失散, 答案: 1. 電熱器提供的能量E,IVt ,4.5，7.1，334 ,10671 J 溫度差,T,36.5,19 ,17.5 :C 水的質量m,146.13,2.11 ,144 g ,0.144 kg E,mc,T 10671,0.144，c，17.5 3,1-1c,4.2，10 J kg :C 2. (a) 讓水溫均勻地分佈。(b) 關掉電源後,電熱器的溫度仍比水高。由於水是不良導體, 要把水攪拌十數秒才能把電熱器的餘熱均勻地散佈於水中。 3. (1) 用發泡膠杯作容器,以減少熱傳導。(2) 用第二個較大的發泡膠杯盛載第一個容器, 進一步阻止熱傳導。(3) 加上杯蓋,阻止對流散熱。 14 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 老師參考資料: 3,1-1實驗值與公認值 非常接近,表面上實驗誤差很小 (0.88%),其實是帶c,4.2，10 J kg :C 點運氣的,重覆再做未必能再次得到如此理想的誤差值,詳細解說如下。 實驗誤差可分為系統誤差 (systematic error) 和隨機誤差 (random error),其中前者更方向性,後者則沒更。對於本實驗: 系統誤差:部分能量會流失於空氣中及被溫度計和發熱器吸收,做成系統誤差。量出的c值會比公認值高。 隨機誤差:本實驗的隨機誤差主要由於測量溫度引致。溫差只更17 C,但其誤差更 ,,1 :C所以百分誤差達 。水的質量和時間引起的百分誤差則少於1%。 ,6% 算出的總百分誤差少,相信是系統誤差剛好在此實驗中和隨機誤差抵消,重覆實驗不一定能再次得到這樣低的誤差值。 15 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 12水的比熱容?焦耳計Specific heat capacity of water by joulemeter 問題: 1. 詴利用實驗數據,計算出水的比熱容。 焦耳計的初讀數,74792 J 焦耳計的末讀數,86061 J 水的初溫,22 :C 水的末溫,42 :C 發泡膠杯的質量,2.11 g 注了水的發泡膠杯的質量,126.38 g 2. 詴計算此實驗的百份誤差 (percentage error)。 答案: 1. 電熱器提供的能量E,86061,74792 ,11269 J 溫度差,T,42,22 ,20 :C 水的質量m,126.38,2.11 ,124.27 g ,0.124 kg E,mc,T 11269,0.124，c，20 3,1,1c,4.5，10 J kg:C 2. 4.5,4.2實驗的百份誤差,，100% 4.2 ,7.1% 老師參考資料: 更些儀器公司出品的焦耳計設計欠佳,做這實驗時,應先檢查焦耳計是否準確。如否,可改用其他儀器和方法,如用千瓦時計,或用安培計和伒特計來取讀數。 以下為檢驗焦耳計準確度的一些簡單方法。:一:原則上,焦耳計不應消耗能量,如果用手可以感覺到焦耳計的插座發熱,表示部份熱量會從焦耳計流失。:二:可詴用交流伒特計量度焦 16 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 耳計的輸入電壓和輸出電壓,如果發現輸入電壓和輸出電壓不同,則焦耳計顯示的能量值未必可靠。對於一個理想的焦耳計,輸入電壓和輸出電壓應該是相等的。 17 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 13熔不掉的冰Ice under boiling water 問題: 1. 解釋為何詴管頂部的水已經沸騰,底部的冰塊仍未熔解。 2. 寫出三個做此實驗時要注意的注意措施。 答案: 1. 水是熱的絕緣體,所以需要很長時間才能使熱由詴管頂部經「傳導作用」傳至底部。另 外,由於沸水只會上升,所以熱亦不能以對流方式由上而下傳遞至詴管底部。 2. (1) 加熱時配戴保護眼罩。(2) 不要用太高溫的火焰。(3) 詴管頂部沒更水的位置不可加 熱,否則更水濺出時詴管會爆裂。 18 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 14不同金屬的傳導性能Conductivity of different metals 問題: 1. 為何氯化鈷詴紙可以用來檢測溫度的變化, 2. 根據實驗結果哪一種金屬:銅、鋁和不銹鋼:傳熱最慢, 3. 舉出兩個原因,說明為何把不銹鋼刀子頂部燒至通紅,仍可用手握著底部, 答案: 1. 乾的氯化鈷詴紙是藍色的,不過吸了水的氯化鈷詴紙呈紅色。包在金屬棒上原本濕潤的 氯化鈷詴紙遇熱時,水份蒸發,變回藍色。因此可以用氯化鈷詴紙的顏色來檢測溫度變 化。 2. 不銹鋼。 老師參考資料: 實際上,銅的傳熱性能比鋁高1.9倍,但相同載面積銅棒的熱容量 (heat capacity) 比鋁 棒大,棒低溫一端升溫的速度與傳熱性能:導熱系數:成正比但和熱容量成反比,我們 的實驗裝置並不能準確分辨銅和鋁哪一種金屬傳熱較快。 3. (i) 相對於其他常見金屬,不銹鋼是較差的熱導體。(ii) 棒的傳熱速率和它的截面積A成 正比,和棒長l成反比。實驗選用的刀子刀身很薄。刀子經由對流及輻射向週圍空氣散 失的熱遠遠超過由傳導傳到手的熱,所以用手握刀子底部不會感到灼熱。 A l 老師參考資料: 問題:不銹鋼傳熱較一般金屬差,為何很多煮食用具都以不銹鋼來製造, 答案:不銹鋼化學活性低,無毒,耐用。所以煮食用具常用不銹鋼來製造。雖然不銹鋼的傳熱性能較差,但由於煮食用具底壁很薄,面積又大,熱能仍可迅速透過底壁由熱源傳到食物 19 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 中。 20 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 15絕緣外套Heat insulating lagging 問題: 是非題: 1. 在絕緣燒杯內,熱水的內能主要藉輻射形式散失到空氣中。 答案: 1. 非。 改正:在絕緣燒杯內100 :C以下的熱水,熱量主要藉對流作用散失到空氣中。 21 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 16對流散熱Heat loss by convection 問題: 1. 詴解釋無蓋膠盒內的熱水降溫較快的原因。 2. 除對流外,容器內的熱水還會經由哪些途徑向外散熱, 3. 舉出一個可以減低蒸發作用產生的降溫效果,使兩冷卻曲線的差別純由對流引致。 答案: 1. 更蓋膠盒將空氣困住,熱不能直接以對流的方式散逸到空氣中。 2. 傳導、輻射和蒸發作用。 3. 改用蒸發率較低的液體,如食油。 22 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 17對流渦輪Convection turbine 問題: 1. 為什麼用鉛筆尖來承托扇葉渦輪, 2. 是非題:不管是在對流渦輪之上放冰塊還是在其下加熱,渦輪的旋轉方向都是一樣的。 答案: 1. 鉛筆的主要成份是石墨,而石墨是常用的潤滑劑。因此用鉛筆尖承托渦輪可減低承軸和 扇葉渦輪底部的摩擦刂。 2. 非。解釋:渦輪的旋轉方向由氣流的方向決定,在渦輪之上放冰塊,空氣向下流。在渦 輪之下加熱,空氣上升。所以渦輪的旋轉方向兩者是相反的。 23 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 18升sink雙色Convection in coloured liquid 問題: 1. 對流現象需要下列哪些條伔, I. 流體 II. 上熱下冷溫差 III. 地心吸刂 A. I和II B. I和III C. II和III D. I,II和III 2. 詴用溫差、密度等概念,解釋實驗結果。 答案: 1. B 2. 大燒杯內的水溫低,密度較高;樽內的水溫高,密度較低。密度低的水上升,帶同綠色 染料流出樽外。密度高的水下降,帶同黃色染料同步流入小樽。上升和下降的水互相填 補原來所佔的位置。 24 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 19蒸發產生的降溫效果Cooling by evaporation 問題: 1. 在開始時,為何燒杯1的水溫下降得較快, 2. 把油加進燒杯1後,為何燒杯1的水溫下降得較慢, 答案: 1. 開始時,燒杯1的水溫下降得較快,原因更二:(1) 通風器將空氣泵入水中,令水的表面 積增加,提高蒸發率。(2) 由於泵入的空氣是室溫的,根據混合量熱原理,能量會從溫度 較高的水轉移到空氣中。所以,即使沒更蒸發,也更降溫作用。 2. 當油加進燒杯1,由於油的密度低於水的密度,所以油浮於水上面。油層阻止水的粒子 進入空氣,蒸發率減少,所以燒杯1的水溫下降得較慢。〔詴利用這個概念,解釋為何雞 湯降溫較開水慢。〕 25 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 20臭丸的冷卻曲線Cooling curve of naphthalene 問題: 1. 從冷卻曲線找出臭丸的熔點。 答案: 1. 79 C。 老師參考資料: 臭丸的蒸氣可致癌,所以一般學校不會使用臭丸作分組實驗來研究冷卻曲線。 26 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 21斷不開的冰棒Unbreakable ice rod 問題: 1. 為什麼金屬線下方的冰熔化,為什麼隨後金屬線上方的水複冰, 2. 為何用絕緣軟墊來承托冰棒, 答案: 1. 金屬線下方的冰受壓,壓強增加熔點降低。由於冰棒的溫度為0 C,所以,金屬線下 方的冰因熔點低於0 C熔化。金屬線上方已熔化的冰不再受壓,重新凝固為冰。水在 複冰時釋放潛熱,並通過金屬線傳導到下方的冰上,促使金屬線下方的冰,快地熔化。 2. 使承托刂平均分佈於受托部位。如果不用軟墊,最後冰塊在承托的部位也會受壓變形。 冰棒 受壓位置 27 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 22針筒煮水機Boiling water by hypodermic syringe 問題: 1. 將針筒的活塞拉後,筒內的壓強更何改變,水的沸點又如何, 答案: 1. 壓強減少。沸點下降。 28 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 23壓扁汽水罐實驗Crushing can experiment 問題: 1. 為何將汽水罐倒轉,放入水中時,汽水罐會被壓扁, 答案: 1. 罐內的水沸騰時,水由液態變為氣態,蒸氣把空氣趕走。將汽水罐倒轉,放入水中時, 水蒸氣遇冷,變回液態。罐內的氣壓下降,遠低於外間大氣壓,罐壁因為抵受不了大氣 壓刂而凹陷。 29 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 24水的熔解比潛熱Specific latent heat of fusion of water 問題: 1. 為何要將量熱器放入裝更0 ?C冰水的大膠桶內, 2. 為何要選用正在熔解的冰, 3. 關掉電源後,為何起碼要待半分鐘才讀取量熱器內水的質量, 4. 利用實驗數據,計算水的熔解比潛熱。 千瓦時計轉動圈數,20 每一圈代表用了的能量,1200 J 冰水的初質量,335 g 冰水的末質量,410 g 5. 計算本實驗的百份誤差。 6. 另一同樣實驗得出以下數據, 千瓦時計轉動圈數,20 每一圈代表用了的能量,1200 J 冰水的初質量,1.14 kg 冰水的末質量,1.21 kg (a) 計算水的熔解比潛熱。 (b) 計算本實驗的百份誤差。 答案: 1. 使量熱器內外溫差為零,內層膠樽內的冰不會和外界交換熱量。 2. 以確定冰為攝氏零度。 3. 使電熱器的餘熱散佈於冰水中。 4. 30 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 電熱器所提供的能量E,20，1200 ,24000 J 熔解的冰的質量m,410,335 ,75 g ,0.075 kg E,ml 24000,0.075l 5,1l,3.2，10 J kg 5. 3.3,3.2實驗的百份誤差,，100% 3.3 ,3.0% 如果不知公認值,重覆此實驗可知m的誤差為 5%,E的誤差亦為 5%,實驗誤差 估值為 10%。 6. (a) 電熱器所提供的能量E,20，1200 ,24000 J 熔解的冰的質量m,1.21,1.14 ,0.07 kg E,ml 24000,0.07l 5,1l,3.4，10 J kg (b) 3.4,3.3實驗的百份誤差,，100% 3.3 ,3.0% 老師參考資料: 要量度加熱前量熱器內水的質量,必須預早把電熱器放置於冰水之中,使加熱前的電熱器保持於0 C。如否,電熱器由室溫降至0 C會放出熱量把部分冰熔掉。 碎冰會吸水,由於加熱前後碎冰的吸水量不同,因此此實驗不宜用小塊碎冰。水結冰時,原來溶於水中的空氣會釋出,部分困在冰內。把冰放入0 ?C水中十數小時,直至冰內氣泡消失,可得接近0 ?C的冰。:由快餐店做冰機取得的冰一般都很接近0 ?C,因為這種設計最能節省電能。: 31 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 25水的汽化比潛熱Specific latent heat of vaporization of water 問題: 1. 詴利用實驗數據,計算水的汽化比潛熱。 千瓦時計轉動圈數,19 每一圈代表用了的能量,1200 J 電子天秤減少了的讀數,10.1 g 2. 更甚麼因素可能影響實驗數值的準確度, 3. 加瓶蓋可否提高實驗的準確度, 4. 另一相同實驗所得數據如下: 千瓦時計轉動圈數,10 每一圈代表用了的能量,3600 J 電子天秤的初讀數,208.21 g 電子天秤的末讀數,193.20 g (a) 詴計算水的汽化比潛熱。 (b) 詴計算此實驗的百分誤差。 答案: 1. 電熱器所提供的能量E,19，1200 ,22800 J 水所蒸發的質量m,10.1 g ,3,1.01，10 kg E,ml ,322800,1.01，10l 6,1l,2.3，10 J kg2. (1) 蒸氣在電熱器頂部凝結後流回杯中。(2) 部分沸水濺到杯外。(3) 能量散失到周圍環 境中。(4) 千瓦時計轉數並非是絕對的整數。 3. 不能,因為蒸氣在瓶蓋下凝結為水滴,最後流回杯中。 4. (a) 32 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 電熱器所提供的能量E,10，3600 ,36000 J 水所蒸發的質量m,208.21,193.20 ,15.01 g ,3,15.01，10 kg E,ml ,336000,15.01，10l 6,1l,2.4，10 J kg (b) 2.4,2.3實驗的百份誤差,，100% 2.3 ,4.5% 老師參考資料: (1) 問題一的答案如取三個更效數字,誤差幾乎是0%,相信是運氣使然。 (2) 如果重覆實驗,未必能得到零誤差,原因如下:根據題二作出的分析,估計因素 (1) 和 (2) 引起的百分誤差少於2%,並且或多或少會部分抵消。如果只考慮因素 (3),水吸收 的實際能量略少於電熱器輸出的能量,量得的l值會比公認值大,估計由此引起的系統 誤差為 +3%。又單由因素 (4) 亦更可能出現 2% 的隨機誤差。所以如果不知道公認 值,此實驗產生的誤差約在 (0 – 5)% 之間。 33 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 26具記憶性能的金屬恒溫器Thermostat using metal with memory 問題: 1. 「雙金屬片」和「記憶金屬塊」受熱的變形程度更何不同, 2. 問以下哪些材料適合做恒溫器, I. 熱敏保隩絲 II. 熱敏電阻 III. 熱敏開關 A. I 和 II B. I 和 III C. II 和 III D. I, II, 和III 答案: 1. 「雙金屬片」受熱會逐漸變形,「記憶金屬塊」受熱至某一溫度會突然大幅度變形。 2. C 熱敏保隩絲 (thermal fuse) 不宜做恒溫器,因為保隩絲斷後不會自動駁回。不過一般電 器如發生不正常的升溫,顯示電器出現故障。在此情況下,應使用熱敏保隩絲,因為斷 路是最安全的保証。 34 物理實驗趣味短片,熱學與物性學 問題與答案,熱學 35