 |
亞太科學教育論壇，第十期，第二冊，文章十一(二零零九年十二月) 陳正治、陳虹樺 水表面張力之教學省思-真的有所謂的「水平面」嗎?
|
| |
亞太科學教育論壇，第十期，第二冊，文章十一(二零零九年十二月) 陳正治、陳虹樺 水表面張力之教學省思-真的有所謂的「水平面」嗎?
|
本研究為讓學生瞭解「水平面」的真相，在實驗一與實驗二利用手掌、硬幣等物品，讓學生親自體驗物品與水接觸時，受力面積與水的作用力大小關係，讓學生奠下水的表面有「力」的這樣概念；接下來實驗三則透過不斷在水裡丟進的物體體積而增加水表面弧度大小的過程，讓學生對於水的表面張力有更進一步的體會；實驗四及實驗五則讓學生觀察不同高度的水面，水的表面形狀就會不同，而同一水面不同位置時，水的表面張力也會有所不同，進階地認識表面張力的特性。在實驗的設計內容，計分為目的、教師提問、材料、操作方式、觀察紀錄與可能原因，分述如下:
1. 目的：以前述二活動前，各小組分歧的討論結果，設定一個本實驗欲達成的目的
2. 教師提問：為了達到設定目的，教師要提出一些問題讓學生進一步思考與討論。
3. 材料：接著提供實驗所需的材料，每一小組均使用相同材料進行實驗。
4. 操作方式：為了避免有不同的解讀或隨興的實驗操作，教師暫以規範的方式指導學生實驗操作步驟。
5. 觀察紀錄：各小組學生雖有相同的實驗操作步驟，但每一小組所觀察到的現象，允許其不同的解讀與紀錄。當某一小組差觀察結果差異太大時，教師請其再操作一次，要求學生仔細觀察其操作方式是否與其它組別有異。
6. 可能原因：學生首先就其操作與觀察紀錄，討論並發表其可能的原因，教師再佐以科學理論與定理協助解惑。
3.1. 1、目的: 探究未何手掌快速拍水時會有痛的感覺，怎樣做比較不會痛
3.1. 2、教師提問：用手掌快速拍水，會有怎樣的感覺呢？那改用手指垂直入水中時又如何呢？
3.1.3、材料：水桶（裝滿水）
3.1.4、操作方式：
3.1.4.1：快速地用截面積較大的手掌拍打水面時(如圖1)
3.1.4.2：慢慢地用截面積較大的手掌放入水面時。
3.1.4.3：快速地用截面積較小的五隻手指垂直插入水面時 (如圖2)
3.1.4.4：慢慢地用截面積較小的五隻手指垂直插入水面時。
3.1.5、觀察紀錄：手掌入水時，截面積越大、速度越快，痛的感覺也越明顯；反之， 手指入水時截面積越小、較不會有痛的感覺。
3.1.6、可能原因：身體入水時截面積越大、速度越快，水作用於身體接觸部位的反作用力越大，痛的感覺也越明顯，反之，身體入水時截面積越小、速度越慢其反作用力越小，較不會有痛的感覺。
▲圖1：截面積大手掌擊水
▲圖2：截面積小手指擊水
3.2.1、目的：採用不同的方式將硬幣投入水中，觀察水花濺起的大小程度
3.2.2、老師提問：水花會因為投幣方式不同而產生不同形狀嗎？ 3.
2.3、材料：直尺、硬幣(1元、10元、50元各一)、水桶。
3.2.4、操作方式：
3.2.4.1：控制相同高度、相同硬幣，觀察硬幣平放或直放入水中時，水花濺起的大 小。
3.2.4.2：控制相同的硬幣、相同的放法，觀察不同高度的硬幣放入水中時，水花濺 起的大小。（圖3及圖4）
3.2.4.3：控制相同的高度、相同的放法，觀察不同重量硬幣放入水中時，水花濺起 的大小。
3.2.5、觀察紀錄：平放(產生較大的截面積)、越高與越重的物體入水，產生的水花較 大。
3.2.6、可能原因：這是因為物體撞及水面時，與水接觸的面積越大，或落水時速度越 快，水的反作用力越大，激起的水花越大。
▲圖3: 投幣入水高度低
▲圖4: 投幣入水高度高
3.3.1、目的：探究水表面張力對水表面的形狀作用
3.3.2、教師提問：裝滿水的杯子，還可以再投入幾枚迴紋針？
3.3.3、材料：膠杯、彩色迴紋針1盒、乾淨水、滴管
3.3.4、操作方式：
3.3.4.1：用滴管將乾淨的水徐徐注入杯內，直到水面呈鼓起凸面狀，且中央 部份高出杯緣一些。
3.3.4.2：取迴紋針，順著杯緣，一根接一根，徐徐且直立地放入杯中(圖5)。
3.3.5、觀察紀錄：裝滿杯子的水，還可以投入許多的迴紋針，但水仍舊不會溢出來。
3.3.6、可能原因：這是因為水分子與水分子間有一股內聚力，表現於外者即是水的表 面張力，表面張力是一種物理效應，它使得液體的表面總是試圖獲得最小的、光滑的面積，就好像它是一層彈性的薄膜一樣，其原因是液體的表面總是試圖達到能量最低的狀態。
3.4.1、目的：杯內水位高低不同時，水面外觀是否有異
3.4.2、教師提問：杯內不同高度的水位，會有怎樣水面呢？凹的？平的會凸的？
3.4.3、材料：膠杯、乾淨水、滴管、水平桌面、放大鏡(凸透鏡)
3.4.4、操作方式：
3.4.4.1：用滴管將乾淨的水徐徐注入杯內，直到水位高度大約至8分滿時。
3.4.4.2：請學生持放大鏡(凸透鏡)在杯子側面觀察水面形狀。
3.4.5、觀察紀錄：水面不再是永遠全面的水平，當水位比杯緣低時，僅中央部份呈現與水平桌面保持平行；杯緣處的水未呈現水平現象，而是往上拉引一些，與中央部位水面夾角大是70度。
3.4.6、可能原因：這是因為由於水與杯子內緣間接觸處，具有黏著力，因此，可以發現此處水與另類物體間之黏著力大於水本身內部的內聚力。荷葉上的水珠會呈現圓球狀，很明顯可以看出，水與荷葉間的黏著力，遠小於水分子本身內部的內聚力，因此可以清楚觀察到水的表面張力作用現象。
3.5.1、目的：探究密度比水大的物體能否飄浮在水面上
3.5.2、教師提問：有無可能讓迴紋針飄浮在水面上
3.5.3、材料：膠杯、乾淨水、細繩2條、迴紋針、清潔濟(肥皂水)、滴管。
3.5.4、操作方式：
3.5.4.1：藉由兩條平行細繩協助，細繩一端黏在杯緣處，手持細繩另一端，將迴紋針輕放在細繩上面，待平穩後，再將細繩輕放在水面上。
3.5.4.2：待迴紋針飄浮在水面上時，再輕輕地將細繩往兩端外移。
3.5.4.3：滴入幾滴含清潔劑的溶液在迴紋針周圍液面上。
3.5.5、觀察紀錄：平放的迴紋針可以飄浮在乾淨的水面上，但卻會沉入滴有清潔劑的水面下
3.5.6、 可能原因：水的表面張力不但具有一股抵抗外力的作用，並且會促使水的表面上物體盡量往外、往遠處移動。清潔劑很容易破壞水的表面張力。
