在鋸齒狀的鐵片上,水滴可以像毛毛蟲一樣往上爬,更驚人的是水滴往上爬是不需要接觸台階的,可以說是用「飄」的!為什麼會這樣?難道是科學家施了什麼魔法嗎?

 

X博士摘要說明】

  1. 了解水滴在高溫鋸齒狀金屬中的爬樓梯現象與金屬表面溫度、鋸齒大小、液滴大小、爬升角度的關係。
  2. 了解水滴為何會爬坡的原因

 

50 國中物理科作品

題目:水滴在高溫鋸齒狀金屬表面上的爬坡現象

作者:臺中縣立大雅國民中學的同學們

 

【摘要(原文)

根據我們的研究,發現水滴可以在鋸齒狀金屬表面上移動,而且會向上爬升,爬坡角度最大為 20 度角。我們拍攝很多水滴的爬坡現象,我們觀察到水滴向高處移動的運動方式,發現水滴的前端會向上、向前凸起,並且會伸長而後縮短,表示有一個力量造成這樣的情形。我們知道水滴與高溫金屬面之間會存在一層蒸氣層,我們認為這層蒸氣層是造成水滴向上爬升的主要原因。我們可藉由改變「鋸齒斜面長」與「鋸齒高」的比值,來控制水滴的移動方向,鋸齒斜面長所面對的方向,即為水滴的移動方向,可見鋸齒狀金屬面的形狀,是讓水滴向上爬升的另一個原因。我們也發現,水滴的爬升速率會受到鋸齒大小、鋸齒斜面長與鋸齒高的夾角、液滴大小與液滴的表面張力所影響。

 

X博士步驟說明】

實驗一 : 了解水滴在高溫鋸齒狀金屬中的爬樓梯現象與金屬表面溫度的關係。

在鋸齒狀金屬表面用大火燒,隨著溫度的上升慢慢將水滴滴在鋸齒狀金屬表面,結果發現要燒到400度以上,水滴才不會蒸發,而是結成珠狀,接著以下的實驗皆是用大火燒 30 分鐘,製造約 400的表面溫度,再把水滴滴在鋸齒狀金屬表面上,觀察水滴的爬升情形。

  

實驗二 : 準備三種不同的400度金屬鋸齒鐵片,觀察水滴爬升的情況。

固定不變的是 : 水滴大小為 0.04 ㏄、鋸齒傾斜角為 5 度角

 投影片2

A鐵片的鋸齒最小,C鐵片的鋸齒最大,但是跑最快的是B鐵片。所以鐵片的形狀會影響速率。

 

實驗三 : 400度的鐵片上滴下不同的水滴。

固定不變的是 : 水滴大小為 0.02 ㏄、選擇A鐵片,傾斜角為 5 度角

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爬升速率大小依序為:食鹽水>蒸餾水>紅墨水。而表面張力大小依序為:食鹽水>蒸餾水>紅墨水。

 

實驗四 : 三種不同的爬升角度。

固定不變的是 : 使用 A 鐵片、使用蒸餾水、液滴約為 0.04c.c.

投影片4   

水滴的爬升 速率隨著角度變大而變快。

 

實驗四 : 觀察水滴爬升的情況

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從實驗推測出使水滴往上爬的有兩個力量:

●蒸氣壓所造成的力量。

水滴和很熱的金屬鐵片接觸時會瞬間產生水蒸氣,此水蒸氣會讓水滴與鋸齒狀金屬面瞬間分離。所以,水滴與金屬表面因為蒸氣層的產生,使得兩者瞬間分離的結果,而造成一個力量,此力量即是讓水滴向上爬升的一個力道。

●作用力與反作用力。

水滴受熱後會向下產生水蒸氣,此水蒸氣會施與水滴一股向上的 反作用力,這就如同火箭升空的情形。

 

數據分析與結論

當鋸齒狀鐵片上升到400度的時候,水滴在上方便能結成珠狀,並且會往上爬升。爬升速率將受到液滴的表面張力所影響。表面張力較大者,爬升速率較快,爬上12度傾斜角的坡度最快。我們認為有兩個可能力量造成水滴向上爬升:第一、蒸氣壓所造成的力量。第二、作用力與反作用力,如火箭升空的原理。

 

以下是評審給的評語

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X博士評語】

溫度越高,水蒸發的速度就越慢? 相信做過飯的人都見過這種現象,當鐵鍋燒乾後,往鍋裡淋點水滴,有時水滴會“哧啦”一聲不見了,有時水滴卻會在鍋裡跳“霹靂舞”。這是怎麼回事呢?原因是因為當水滴接觸到高溫的鐵板,立即有水分子汽化成一層蒸氣膜,降低傳熱速率,而形成穩定水珠。另外,因為表面張力的原因,水珠可以變化出各式各樣的圖形,實在是一個很有趣的作品。