顯示具有 科學 標籤的文章。 顯示所有文章
顯示具有 科學 標籤的文章。 顯示所有文章

2013年10月10日 星期四

醃漬的科學原理

     這是一篇隱藏文章。

分類:科學活動
2013/05/31 10:45
科學補給讚-科學實驗室】
梅老師上課囉~這次要告訴大家醃漬的科學原理喔~

在冰箱還沒有發明以前,早期的先民為了儲存不易獲得的食材,絞盡腦汁的發明了許多種的保存食材的方法,其中最特別的就是加鹽醃漬的方法,加鹽醃漬是利用在食材周圍塗抹鹽粒後,會使得蔬菜植物細胞或肉類動物細胞內外的鹽分濃度產生差異,就產生了不同擴散滲透壓的現象,這種滲透壓會使得動植物細胞內水分往細胞外滲透,而鹽分則會往細胞內滲透,當動植物細胞內鹽分濃度增加時,原先在動植物細胞內的微生物或細菌就無法順利生長,而使得蔬菜或肉類能夠保存比較長的時間,這種加鹽保存食材的方法還是僅止於利用鹽分濃度抑制細菌或微生物的生長。

但是加鹽醃漬還有另外的一種改變食材風味的化學反應,如同原住民的醃魚,利用食鹽、魚類與米飯在相同的環境中,再利用米飯與肉類的發酵作用產生特殊的醃漬風味。

其中,為甚麼在醃製魚肉時要再加入熟米飯?這點就是證明原住先民非常睿智的一種醃漬食材的製作手法,因為原住民在河流中所捕獲的淡水魚的體積較小,若是只在魚肉上加入食鹽,如此操作僅能製作像鹹魚一類的食材,因此,若是再加入冷熟米飯後,可使得發酵反應不僅僅只有魚肉,此時冷熟米飯的澱粉也會參與發酵反應,如此就增加了發酵反應的風味變化了!至於為何只能加入「冷」熟米飯,這是因為若是加入的是「熱」熟米飯時,此時在魚肉上的微生物或細菌會因為熱米飯的影響而快速滋生而使得食材腐敗而變質!

小實驗
選用材料:紅白蘿蔔、高麗菜、小黃瓜、大頭菜...,實驗操作以蔬果為佳,不建議使用肉類,其它適合做醃漬醬菜的蔬菜可請教媽媽
操作步驟:(以小黃瓜為例)
1. 先將小黃瓜洗淨,擦乾,再切取適當大小的小黃瓜片。
2. 將食鹽均勻灑在小黃瓜片上,再用筷子將小黃瓜片攪拌,使食鹽能均勻沾附在小黃瓜片上。
3. 用筷子將小黃瓜片撥到容器的一端,再將此端墊高。
4. 一段時間,觀察容器較低的一端會產生何種現象?

實驗二
1. 切取相同大小的小黃瓜片。
2. 一片灑上少許的食鹽,另一片維持原狀。
3. 經過一段時間後,將兩片小黃瓜片分別放到口中咀嚼。
4. 比較這兩片小黃瓜片在口感上有何差別?

小朋友操作小實驗時,請務必請家長在旁協助,使用刀具要特別小心安全!

防曬乳

     這是一篇隱藏文章。

分類:教學資源
2013/04/13 10:34

專家的話


紫外線和可見光一樣都是「電磁波」中的一部分,一般簡寫成 UV(ultraviolet)。紫外線係來自太陽輻射電磁波之一,通常按照波長把紫外線分為三類如下:紫外線分類波長(nm)UV-C: 100 ~ 280 nm,UV-B 280 ~ 315 nm,U V-A: 315 ~ 400 nm。UV-C 波長 100 ~ 280 nm,紫外線的波長越短,所蘊藏的能量就越強,對皮膚傷害最大的是紫外線C,但大部分被大氣層中的臭氧層隔離,僅只有極少量到達地面。UV-B 波長 280 ~ 320 nm 引起皮膚即時曬傷,使皮膚角質增厚、暗沈、變紅、眼膜炎、發痛變得較乾,主要是因 UVB 所造成的,UVB 能量比 UVA 來的強但容易防護。UVA 波長 320 ~ 400 nm,紫外線中約有百分之九十五以上是 UVA,具有很強的穿透力它對皮膚的傷害也最大。且因可直達真皮層,促使皮膚老化,是引起斑點的主要因素。

常見物理性防曬成分Titanium dioxide(二氧化鈦):可以阻隔 UVB 和部分 UVA,但是對波長部分的 UVA 無法完全保護。Zinc oxide(氧化鋅):幾乎可以阻格掉所有波長的UVA 和 UVB,但是因為塗起來會有白白且黏黏厚厚的一層,所以限制了它的實用性。

化學紫外線吸收劑 Chemical Sunscreens 對紫外線有吸收作用的物質,又稱為化學吸收劑;它們能吸收紫外線的光能,其電子能階從基態躍升至激發態,再用震動釋放轉換成熱能,而本身結構不發生變化。 SPF 較為一般大眾所熟知,但 SPF 僅針對 UV-B 的曬傷防護數值作為標示,並不代表防護其它的紫外線。在理想的狀態下,SPF30 的防曬品就應該可以阻隔 96.6% 的紫外線B。但須要注意的是,防曬乳塗抹劑量每平方公分予 2 毫克,才能達到防曬乳所聲稱的系數。

SPF 僅針對 UV-B 防護能力為表示,與防護 UV-A 沒有絕對的關係。無論系數多高 SPF 也僅表示 UV-B 的防護能力,皮膚會曬黑是因為 UV-A 不是 UV-B。
http://www.nsc.gov.tw/scitechvista/zh-tw/Audio/C/0/10/3/33.htm

豆漿變豆花

     這是一篇隱藏文章。

分類:教學資源
2013/04/13 10:09
豆漿變豆花
生活才科學 | 太陽電台FM89.1
(開門關門聲)

發媽:來喔~早餐買回來了!快起床吃早餐~

橘子:(剛睡醒吱吱嗚嗚)…哇!媽!你怎麼買壞掉的豆漿阿?

發媽:咦!沒有阿!怎麼可能買壞掉的豆漿?

橘子:就是這個阿!這個看起來就是壞掉了嘛!怎麼還有蔥花阿!(驚嚇)

柚子:吼唷!一大早就在大驚小怪,這是鹹豆漿啦!一定是爸要吃的。

發媽:嘿啦!這是你爸要吃的鹹豆漿啦!阿鹹的放點蔥花也很正常阿!

橘子:唔…原來是這樣阿!那為什麼鹹豆漿會看起來好像有沉澱的感覺呢?

發爸:呵~呵,那是因為熱豆漿加了醋,裡頭的蛋白質產生變質,所以原本香濃的豆漿就會變成看起來有沉澱物的樣子了。
柚子:那豆花的製作也是同樣的道理嗎?

發爸:不一樣,豆花是豆汁加上石膏之後,豆汁的水溶性蛋白質凝聚,所以就變成豆花了!

專家的話

豆漿,是將黃豆擠榨後,和水混合的豆汁;豆漿和牛奶或是咖啡一樣,是屬於膠體溶液。比起一般的溶液比較,膠體溶液的粒子較大,而粒子間因為帶有相同的電 荷,使得彼此之間產生排斥力,因此可以克服本身的重量,持久地懸浮在溶液中,不產生沈澱。要讓膠體溶液內的粒子凝聚在一起的方式之一,就是加入與其粒子電 性相反的離子,異性相吸的結果,使添加的離子包住膠體溶液的粒子,導致每個膠體粒子的電荷都被中和了,於時原本分散懸浮的膠體就會凝聚在一起而形成沉澱的 現象。豆漿加石膏粉或者鹽滷變成豆花就是利用這樣的原哩,石膏的成份是硫酸鈣(CaSO4),溶在水裡面形成鈣離子和硫酸根離子,和豆漿中的蛋白作用就會 讓原本水溶性的蛋白質凝聚成豆花 如果石膏濃度高一點並且加上壓力,就變成板豆腐和豆干了。

另外一種會讓豆漿產生沉澱的方法是加入酸性的物質超市裡的盒裝豆腐(不是板豆腐)則是加入葡萄糖酸內酯,它在水中溶解後會變酸性,讓豆漿中的蛋白質變性而凝固沉澱這個現象和鹹豆漿中加的醋,也會令豆漿凝結成小部分的凝結狀是一樣的。

http://www.nsc.gov.tw/scitechvista/zh-tw/Audio/C/0/10/11/552.htm

電池

     這是一篇隱藏文章。

分類:教學資源
2013/04/12 10:49
碳棒只是導電,沒有參與反應


維基百科
http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E9%8B%85%E9%8C%B3%E9%9B%BB%E6%B1%A0

電 池 簡 介
一、碳鋅電池

碳鋅電池乃一種極普遍的乾電池,早在1900年以前,已經商品化。 碳鋅電池的大小、形狀和使用壽命有好幾種。如果不計較其功能的強弱, 則碳鋅電池是一種安全又經濟的電池,何況其來源沒有問題。
碳鋅(C-Zn)電池是一種電化學(Electrochemical)系統,它是以鋅做陽極(陽極送出電子到電路中,因此是負極), 以二氧化錳(MangneseDioxide)粉末混合物和其他材料當做陰極(正極);氯化銨(A nomonium chloride)的電解質凍 (ElectrolyteJelly)和氯化鋅(Zinc chloride)溶解於水中當做電解液;而碳棒刀把外界電路的電子傳回到陰極(正極)。 電池中的陰極混合物也當做去極劑(De-polarizer)。
如果便用的電流很小,且使用的時間不長,則碳鋅電池是最有效率的。如果使用的電流較大及使用的時間較長的話, 則電池因化學反應放出電能所產生的氫氣(HydrogenGas)會積在碳棒,阻礙其傳導電子的能力,因而降低電池的效率。 做為去極劑的陰極混合物,乃防止氫氣存在碳棒的作用劑;因此,如沒有去極劑的話,電池的工作效率會受到影響。 然而,即使有去極劑,碳鋅電池在大電流的使用狀況下亦無法使用太久。
碳鋅電池在電解質混合物和碳棒大小的製法上有許多型式完全不同。設計給收音機使用的電池,含有高百分比的活性電化學的 (Electrochemical)材料。這種電池比用於閃光町的電池具有較大的容量,因而,使得它在低電流的使用情況下,能維持很久; 而閃光阿用的電池,須含有更多的碳,以便能在短時間內產生大電流,觸發閃光打泡。一般用和工業用電池, 其使用壽命和容量特性,已經被修改成適用於此兩種不同使用情況的特性。
碳鋅電池的使用壽命和其使用情況有密切的關係。當所需的電流降低時,會改進電池的化學效率,以兩個並聯的電池代替一個電池, 可以增長三倍的使用壽命。安培小時(Ampere-hour)碳鋅電池使用到IV時的使用壽命估計的容量跟電池的大小和使用電流的高低很有關係, 其他影響電池使用壽命的因素尚有周圍溫度和放在電池架上的時間。 在室溫為20℉時,電池的容量約降低一半;而在-2O℉時,幾乎降到零。假如把特殊的電解液加入電池, 將會稍為改善低溫的功能。如電池一直被存放在溫度70℉的環境中,則其使用壽用大約 縮短一半,假如電池被放在更高的溫度中,則其變質的速度會更快。
電池大小
和重量
使用電流容量能量密度
(oz)(mA)(hr)(Ahr)(Whr/lb)
AAA
0.3
22900.4530
10450.3725
20170.2819
AA
0.6
33500.8829
15400.5017
30150.3712
C
1.4
54301.826
251002.130
50401.724
D
3.3
105004.225
501054.427
100453.823
二、鹼性電池
鹼性電池的發展,主要被用於需要高電流使用的裝置,以代替較不實用的碳鋅電池。 鹼性一二氧化錳一鋅電池(Alkaline-manganese Dioxide-zinc Cell)的電壓一時間特性的降低速率低於碳鋅電池。 在高電流的使用情況下,鹼性電池的使用壽命約標準式碳鋅電池的十倍。
鹼性電池以一大片的鋅做陽極,以高密度的二氧化錳混合物做陰極及用鋼或沒電鍍的黃銅做為電流集結器。 鹼性電池與碳鋅電池最大的差異,乃在於鹼性電池使用高濃度的鹼性氫氧化鉀(Potassium-hydroxide)做電解液。
鹼性電池具有極高的去極(depolarization)效率,所以它能連續的供應大電流,而碳鋅電池必須間歇性地使用。 鹼性電池在經過使用一段時間後,還是保持著近1.5V的輸出能力。在低電流的使用情況下, 鹼性電池雖然有較高的安培一小時容量;但它與碳鋅電池的電流密度足一樣。如果使用在大電流的情況,則鹼性電池就比碳鋅 的功能要好。
鹼性電池在低溫下的工作能力亦較碳鋅電池好;而且,在不使用時,既便不把鹼性電池從電池架上拿下,它亦能維持很久的 時間;如果存放在低溫下,則更能延長壽命。
可充電的(rechargeable)鹼性二氧化錳電池,其大量使用的時間已超過10年。由於它的防漏性相當好,所以可被使用在任 何環境。
然而鹼性電池可再充電的次數少於鎳一鎘(Nickel-Cadmi-um)電池。就像基本的鹼性電池一樣,可充電的電池亦是以鋅 做為陽極,二氧化錳做陰極和以氫氧化鉀做電解液;但足可充式電池還是有不同之處,其內部經過設計變更後,無論充電或放電 都很成功。
可充式電池的放電特性與一般不可充式的電池很類似。當其化學能降低時,其輸出電壓的降低速率還是很慢,但是無論如何 ,可充式電池無法再被充電至其原先的輸出電壓;而且當充電的次數增加時,極可能損害其功能。即使其兩端電壓保持一定,但 其可利用的化學能,會隨著使用時間的增長而降低。
可充式的鹼性電池,使用的放電電流,應該使用在廠商所建議的電流量,直到用完其額定的安培一小時(Ampere-hour)容 量再按照所建議的充電時間的長短充電。如果使用者能依此原則使用,則可使充、放電的次數達到預期的次數。降低放電電流或 降低安培一小時容量的消耗,雖可增長電池的壽命;然而,一旦電路需要的功率超過電池的額定容量時,則其使用命壽命將會縮 短很多。
三、汞電池
鋅一氧化汞(Zinc-mercuricoxide)電池所能產生的化學能,高於碳鋅及鹼性電池。大約80%--90% 的活性電化學材料, 被用於所謂的汞電池。
汞電池,其陽極(負極)是鋅一汞合金,而陰極是氧化汞,亦是去極劑。其電解液用氫氧化鉀。 汞電池在有負載的情況下,尚能維持平穩的放電特性及高於所需的正常電壓,此乃其特性之一。 不管所需電流的大小,汞電池均能保持相對穩定的安培一小時容量。汞電池放在電池架上, 如不使用,幾乎不會漏電;在高溫度環境中,亦能保持其良好的特性;而且對於震動和加速度的使用情況,亦有良好的抵抗性。 汞電池的極性與碳鋅、鹼性電池相反,其已被廣泛地用於照相機、助聽器、儀器和通訊器材。
汞電池主要的型式有兩種:圓筒型和鈕扣型電池。
1.35伏特(1.35V)的汞電 池能提供高穩定度的電壓 它能提供固定的工作電壓,直到幾乎放完電為止。1.35V汞電池乃工業用電池,它使用於 儀器,亦可用於科學和醫學。 這些電池的電壓,常被當作第二標準電壓。1.35V的汞電池含有純氧化汞去極劑。
1.40V的汞電池,乃一般用途 的電池;它們的去極劑是氧化汞和二氧化錳的混合物。 在額定的工作電流(約為最大承受電流的一半)情況下,典型的汞電池向能量密度範圍45-50Whr/lb(瓦,小時/磅)。 對於l號電池一D size (重量約6盎斯),其額定電流約250mA;而3號電池一A size(約1.4盎斯),其額定電流為80mA。
在低溫的工作環境中,大多數的汞電池,其功能受到損失。如溫度在40"F時,會嚴重的損失汞電池的容量,而且如溫度更低 的話,則汞電池的功能幾乎儘失,除非使用的電流非常小。
汞電池的第二型是鎘一氧化汞(Cadmium-mercuric Oxide)系統,此型電池的開路電壓為0.94V,其能量密度為18瓦.小時/磅。 它不是一種高能量的電池。
鎘汞電池乃被設計用於特殊的環境(特別是一65~300℉),它是以鎘做陽極,以氧化汞做陰極,而以氫氧化鉀做為電解質。 此型電池在使用年限中,其功率經常不穩定;然而,其放在架上的年限,估計為10--20年之久。當它不放出化學能時,所有 的元素都不是活性的(此乃其放在架上能長久的主要原因)。
鎘汞電池能抵抗30,000g的震動和30,000rpm 的高速運轉。這種粗糙的電池,被用於保險、安全防護系統和計時器等裝置。
四、氧化銀電池
氧化銀電池跟汞電池一樣,其放電電壓曲線亦極為平穩。但它的工作電壓為1.5V(開路電壓為1.6V)。氧化銀電池的安 培一小時容量大約與汞電池一樣。 氧化銀電池乃助聽器和電錶 的重要電源。其正極(陰極)乃氧化銀和二氧化錳的去極氧化物,隨著應用的不同,其混合物的成分就不一樣;負極是鋅。 使用於助聽器的氧化銀電池(需要低的洩電流,長的使用壽命),其電解液為強鹼性的氫氧化鉀,以增強其能量密度;而用於電子錶 的氧化銀電池(非常低的洩電流,極長的使用壽命),其電解液為穩定性更好的氫氧化鈉(50-diumHydroxide)。
氧化銀電池的壽命很長,而且其在高溫時,其功能不受影饗;即使在低溫的環境中,它的功能尚強過大多數的汞鋅電池。 由於氧化銀電池所需的材料較貴,所以氧化銀電池主要的型式為鈕扣型及其他較小尺寸的型式。D-size(l號)或更大的可充電式的氧化銀電池,密封型(sealed)及開口型(Vented)的效果都不錯;然而,如果其他型式的氧化銀電池, 高價格因素不予考慮的話,則寧封型及開口型電池的應用將受到限制。

五、鎳一鎘電池
由於鎳鎘電池的功率容量大且為可充電式,所以它經常被用作轉動器的電源,小至閃光町,大至潛水艇。
全密封的鎳一鎘電池發行不久後,鎳一鎘電池的使用者,即發現其電壓上的麻煩,不止會導致電池的損壞且會使之爆開。 鎳一鎘電池是由密封可充電的子電池(cell)以串聯/並聯方式所組合而成。如果串聯的子電池沒有相同容量, 則在放電電流大的使用情況下,其中一個子電池可能會比其他的子電池先放完電。 在這種情況下,如用電池充電器充電的話,會損害到電池,甚至爆開。 然而,目前電池製造技術的進步,已降低了上述的威脅,而且便用者能利用輔助技術以避免電池反向或降低對電池的威脅。
為了解釋電池反向的影響,茲假設有三個1.25V的密封式可充電的鎳鎘電池串聯在一起,以供應閃光燈3.75V的電源。 假如此三個電池的容量都一樣,則它們傳輸到負載的額定化學電能應該一樣,而且三個電池含在同一時間放完電。 3.75V的平均工作電壓,使用10小時的情況下。其平均電流大約為100mA。
在正常的使用情況下,此三個電池的電子,應出電池的負端經由負載電路,再回到正端(與電流方向相反)。而電池內部的 子電池之間的電子流動方向,乃由各子電池的金屬部分通過接觸部分,到達鄰近子電池的中心部位。 但是,如果其中有一個電池,在其他二個電池尚未放完電之前,即已放完電時,則此放完電的電池,就是一個電阻器罷了; 而此時,整個電源系統大約祇能提供2.5V的電壓。電池完全放電時的電阻大小,乃跟據其止端接受電子,電解液離子傳導電子 以及負端放出電子的能力而定。
典型的鎳鎘電池兩端的金屬片,是由精純的鎳粉所製成。其製造過程中,產生一個多孔的結構,80%小孔的平面區域約為0.2 M2/gm。這些小孔當中,部分侵入活性化學材料,其餘的部分,則侵入電解液。
浸在沒充電的正極金屬片中的活性材料是氫氧化亞鎳(Nic-kel Hydroxide);如此金屬片被充電的話, 氫氧化亞鎳就反應成氫氧化鎳(Nickelic Hydroxide)。沒充電的負極金屬片,乃含有氫氧化鎘(Cadium Hydroxide)。 當金屬片被充電後,氫氧化鎘則反應成金屬鎘。所以金屬片的極性,乃由化學的浸透方法來決定。
在鎳鎘電池中,放電化學反應的方向與充電反應的方向相反。當電池充電太多或反向充電的話,其反應的主要生成物為氫氣 和氧氣。正極金屬片如被充飽和的話,則所有氫氧化亞鎳全部變成氫氧化鎳;因為此時已沒有氫氧化亞鎳了,故想要繼績充電的 話,則傳會產生氧氣罷了。而在負極中,當所有的氫氧化鎘皆已反應成金屬鎘後,如再繼績充電的話,則僅會產生氫氣而已。
電池化學的每一金屬片,其化學反應速率都要一樣方可。如果各片的化學反應速率不一樣,則在充電過程中,活性材料含量 最少的金屬片,將首先產生氣體;而且因產生氣體所消耗的電能,在放電的時候,無法再轉換成電能了。
面對著過度充電的情況,要產生何種氣體較好呢?電池設計者選擇氧氣;因為氧氣可經由絕緣性材料[尼龍(Nylon)或保 麗龍(Polypropylene)]擴散,且與金屬鎘起化學反應,使金屬還原為沒充電時的氫氧化鎘。因 此,當正極金屬片被充電飽和後,負極金屬片(也許尚有沒反應的氫氧化鎘)不會再存有化學能 。換句話說,當電池的正極金屬片過度充電時,則祇要負極金馬片被充電,擴散的氧氣馬上放出 電子。
由於過度充電所產生的氧氣會很快地再與鎘結合,因此,不會使密封的電池氣壓,高到危險的程度。 同樣地,假如氫氣在負極金屬片中產生,它亦會與正極的金屬片結合;但是,其結合速率太慢, 使得剩餘的氫氣積存在密封的電池,造成有危險性的氣壓。因此,叮確信地,過度充電 時祇能產生氧氣。
如果反向充電的話,電子被強迫由負極出來,經由充電器再進入正極,則其化學反應非常困難。 氫氧化亞鎳不會接受電子受成鎳;而是水分子(water molecules)接受電子受成氫氧。 除此之外,當負極中已經沒有鎘可再放出電子,而受成氫氧化鎘時,電子會由裡離子(OH-— hydroxy1 Ions)放出,如此會形成氧氣兩增加電池內部的氣 壓。
由於電池的反向充電,也許 會出現嵌重的問題;特別是當電池中的子電池,如其中一個已放完電,而其他尚能提供大電流, 則此不再有電能的子電池的高阻抗,會產生足以損害電池的高熱,而且所產生的氣壓會高得迫使 安全氣孔(Vent)打開。如果安全氣孔設計適當的話,則每次氣體由氣孔跑田時,電解液的降低 量不會影客電池的正常功能。裝有「低磁滯」(low hysteresis)安全氣孔的鎳一鎘電池,能承受 偶而的反向充電;但如果安全氣孔打開的次數太多的話,則會降低電池的容量,而且,這樣會因 下次使用大電流,而使反向充電提早發生。
避免子電池(Cell)反向的方法,乃小心的選擇子電池,以使所有的子電池皆有相同的容量 。每_子電池都要個別測試,而且僅能把相同容量的子電池組成在同一電池(Battery)中。這 種方法,使得電池中最弱的子電池完全放完電之前,其他的子電池亦因電力太弱,而不能供應足 以使消耗完的子電池反向充電所需的電流。
有些製造商表示他們的電池能容忍反向充電的原因,乃他們在電池的正、負極中都加上有反 向充電緩衝特性(Reverse Charge Buffering)的材料。此種材料接受電子的特性比徑離子(Hy-droxy1)或水分子都要好。少量 的負極活性材料(氫氧化鎘)加到正極,同時把少量的正極活性材料(氫氧化亞鎳)加到負極;這些少數的材料不但不會影響到 電池的正常功能,而且當所有的子電池開始反向時,能延遲氫氣的產生。

http://pemclab.cn.nctu.edu.tw/peclub/w3cnotes/cn37.%E9%9B%BB%E6%B1%A0%E7%B0%A1%E4%BB%8B/%E9%9B%BB%E6%B1%A0%E7%B0%A1%E4%BB%8B.htm

碳鋅電池 VS 鹼性電池 ( 切身之痛 )


http://clack411.blog126.fc2.com/blog-entry-69.html

從法拉第的演講看蠟燭科學

    這是一篇隱藏文章。

分類:教學資源
2013/04/12 10:45

從法拉第的演講看蠟燭科學

作者:倪簡白 中央大學物理學系
張貼日期:2003/10/15
圖說:法拉第(Michael Faraday, 1791-1867)

蠟燭在我們日常生活中,實在是一個再也普通不過的東西了,到了法拉第眼中,竟然可以講出長篇道理來,而且一講講了12年。可見只要專心、細心、用心,雖小道亦能悟出大哲理!

科學家兼科普教育推動者

英國大科學家法拉第(Michael Faraday)在電磁學、光學及化學上的貢獻,二百年來一直受到舉世推崇。電磁學四大定律之一的法拉第定律,講到如何由磁場變化產生電場,這定律導致馬 達與發電機的發明。在光學上,法拉第效應講的是磁場可以如何改變光的行進,即所謂的磁光效應。在化學上,法拉第發現氣體的液化行為並在電解及電化學等領域 有極大的貢獻,他還製造出許多當時頗為新奇的物質,如四氯乙烯、合金鋼、苯等。有人推崇他是最偉大的實驗家,為了尊敬這位偉人,英國皇家化學學會中設有法 拉第學會(Faraday Society)。

法拉第也是一位傑出的科學教育者,他在一八四○至一八六○年間以蠟燭為主題,對青少年發表的一系列演講尤其著名。演講的內容後來被編成一本書──《蠟燭的化學史》(Chemical History of a Candle),書中篇章包括蠟燭的組成、蠟燭的燃燒,以及氫、氧、水、二氧化碳的物理化學性質,還有大氣的組成。

這一本基礎物理化學通俗讀物在西方十分流行,在此書中,法拉第利用蠟燭將自然的奧祕揭示給世人看,由這本書可以看出法拉第在科學上的素養,以及他 在推廣通俗科學上的努力。法拉第關於蠟燭的第一次演講,是在一八四八年的聖誕節,聽眾是青少年朋友,最後一次則是在一八六○年的聖誕節。

這些演講雖然已是很久以前的事了,但現在讀起來內容仍感清新生動,因為演講者本身就是一位天才科學家,他對事情有很深入的看法。蠟燭一書啟發了許 多人對科學的興趣,例如一九九四年諾貝爾獎得主歐希瑞夫(Douglas Dean Osheroff, 1945-,史丹福大學教授,因發現氦的低溫物理性質而得獎),就曾提到這本書在他幼年時,引發了他對科學的興趣。《蠟燭的化學史》曾翻譯成各種文字,尤 其日文版更暢銷了七十多版,但遺憾的是,這本書一直未出現中文版。

法拉第演講的所在地是倫敦的皇家科學院(Royal Institution),它的創辦人是美國人湯普生(Sir Benjamin Rumford Thompson, 1753-1814),在美國內戰期間他為英軍助陣,戰後被迫逃離美國至倫敦定居。湯普生對熱學研究很有貢獻,發明過許多實用的鍋爐裝置。皇家科學院由他 出資成立,後來成為一流的科研機構,法拉第成名後,在此度過一生。皇家科學院至今仍為英國著名的研究機構,許多傑出的科學家都曾在這裡工作過。法拉第認 為,倫敦皇家科學院聖誕節的演講應集教育、娛樂、啟發於一身。這些原則一直為皇家科學院所遵循,聖誕節的通俗科學演講年年舉辦,至今不輟,相關資訊可上 www.rigb.org網站查詢。

接下來讓我們看看《蠟燭的化學史》前二章的部分內容,在這一部分演講中,提到蠟燭的製造、燃燒,然後提到燃燒時的火焰及氣流的助燃等現象。在以後 的章節中,還提到燃燒的產物:水、氫、氧、二氧化碳及大氣組成等有趣的問題。要記得這是一本他當時在現場示範的紀錄,所以是以講演的形式寫下來的,當時他 準備了許多道具,當場以實驗示範蠟燭燃燒及其相關現象,所以效果非常好。書中所示範的實驗,一般讀者在家中也很容易做到。

蠟燭的製作

首先談到蠟燭的製造過程,我們一般所見到的蠟燭都是用蠟做的。其實,蠟燭還可以用許多不同材料來做。尤其在一、兩百年前,蠟燭是最重要的照明工 具,人類曾嘗試以不同的方法製造蠟燭,例如,有由牛脂或抹香鯨的油脂做成的,也有用蜂蜜中的黃蠟精製而成的,或以愛爾蘭油沼地取來的石蠟製造的。自油脂提 煉材料的方法,可能是給呂撒克(Joseph Louis Gay-Lussac, 1778–1850)所發展出來的。

因為蠟燭可以熔化,我們也許會想像這些蠟燭是用模子做出來的。其實不然,例如用石蠟做的火燭,就無法用模子做出來,它是經由一種特別的手續製造的。但由動物脂肪做的蠟燭,卻可以鑄造。

石蠟做的蠟燭,是用一種特別的方法製造的。第一步將許多棉線掛起來,底部用金屬片蓋住,這一部分不會被蠟塗上。掛線架可以旋轉,在轉動時,工人將 熔化的蠟一層層澆上,待冷卻後再繼續澆,直到線上蓋了厚厚的蠟為止,這時再把它們拿下,用石板磨圓。錐形的蠟頂是用特製管做的,底部則切掉磨平。這些工作 十分細緻,因此蠟燭可以做成一樣大小,例如一磅四支、六支等數目。

蠟燭的燃燒

我們要談談蠟燭和油燈燃燒不同之處。油燈是燃燒液體的燈油,而蠟燭則是燃燒固體的蠟,到底蠟燭是怎樣將固體化成液體再進一步燃燒呢?其中有關未燒完的油蒸氣,法拉第以精彩的實驗示範,展現燃燒所形成的物質。有興趣的讀者可以動手試一試,以了解燃燒的過程。

油燈都具備油槽,蠟燭是固體,因此不需要容器。蠟燭燃燒時,在頂端會形成一個杯槽,杯槽內裝滿了熔化的蠟油,這就相當於油槽。而杯槽中的蠟一直熔 化到接近火焰燃燒的部分,這和油燈的燃燒情況類似。蠟燭燃燒時,火焰只在燈線上燒著,可能很多人會問,為什麼火焰不會沿線燒下來?這是因為在燃燒過程中, 還包括一個蠟油氣化的過程,若沒有氣化,液態蠟油是會把火弄熄的!在蠟燭或油燈的燒燃過程中,燃油都是藉毛細作用,自油槽中沿燭芯向上送到火焰燃燒的部 分,當燃油抵達上端時,就開始氣化。

毛細作用力把燃料帶到可燃燒之處,而且儲存在那裡。舉一個關於毛細作用的例子,當你將乾淨的手指插入熱水中,水會沿指縫爬上手指到略為高出水面的地方,或許你並沒有注意到這些現象。

有一個實驗可以說明這個原理。首先把一條鹽柱放在盤中,再將飽和鹽水倒入盤內。因為溶液已飽和,所以鹽不可能再溶解,因此盤內溶液的變化,不可能 是由於鹽柱溶化造成的。和蠟燭比起來,盤子是蠟燭本體,鹽柱是燈芯,溶液是燭油。之後將溶液染黑,你可以觀察到這黑色流體慢慢爬上鹽柱,一直到頂(只要鹽 柱不倒下)。假如這溶液是可燃的,同時我們在鹽柱上加上燈芯,它就會燃燒起來,這就和蠟燭燃燒完全一樣了。

蠟燭燃燒時產生的熱氣將空氣向上推,在燭頂附近靠邊緣的蠟,由於接觸較冷的空氣,使熔化的蠟油冷卻下來,因而在燭頂形成杯槽,如果讓蠟燭傾倒,蠟 油會沿重力方向流走。所以杯槽是因持續上升的熱氣流作用而形成的,這種作用造成空氣對流,結果是熱空氣沿燭頂上升,冷空氣自周圍進來。

當蠟燭點燃後,有一股熱空氣挾著一些看不見的物質上升。蠟燭頂端的火焰是被這股上升的氣流拉出來的,而且拉得很高。如果把一支點著的燭火放在陽光 下,再將其影子投射在一張紙上,便可以清楚觀察到燭火的內部。首先可以看到火焰旁的一些陰影,它們不屬於火焰的一部分,但卻在上升,而且拉著火苗上升,它 們就是上升的熱氣流。

假如用更亮的電燈來代替陽光,會更清楚地看到火焰的投影。除了燭體及燈芯外,還有一道暗影及一條拉長的氣流,很妙的是,紙屏上較暗的部分在火焰中 卻是較亮的區域。也可以看到屏幕上有一束上升氣流,它不但將火焰向上拉,供應燃燒所需的空氣則使燭芯的凹槽邊緣冷卻。至於為何火焰中較亮的部分,投影到紙 屏上反而變得較暗,這將在後面加以說明。

燭焰的結構

要觀察火焰的內部,可將一隻玻璃彎管插入火焰中較暗的那一區域,不吹動蠟燭,保持燭火的穩定,你可以看到一旦將彎管插入暗區,馬上就有東西自管的 另一端冒出。如果放一個燒杯之類的容器在管的另一端,收集它冒出來的東西,可以看到有些東西自管的這一端冒出來落到杯底,像是它們有重量似的,這與火焰外 部的氣體不同。我們發現自管端落下之物其實是蠟蒸氣,這就是當我們把蠟燭吹熄時所聞到的那股味道。

所以,蠟燭燃燒的就是這些蒸氣。為了更清楚地說明這點,你可以吹熄蠟燭,當蒸氣冒出來時,再在遠端點燃它。若是透過上面所提的步驟,在一只燒杯內 收集大量凝結的蠟蒸氣,再用油燈把它燒熱,會看到凝結的蠟先化成液體,然後開始冒出一點煙來,接著就會有蒸氣產生,持續加熱會有更多東西冒出來,甚至可以 把蠟蒸氣倒到一個平底盤上,然後點火引燃。這些蒸氣就是在蠟燭中間較暗部位的蠟蒸氣。

為了確認這點,我們再做一個實驗,來試燒這些來自蠟燭中間部位的蒸氣。用一支管子把蒸氣引出來,然後在管子的遠端點火,你可以看到有熊熊的火焰冒出。但是如果把管子放在蠟火中燃燒完全的部分,也就是火焰的上部,沒有了蒸氣,管子另一端也就沒有火焰了。

為什麼會這樣?這是因為在火焰中心或燈芯部位,有許多易燃的氣體,而火焰外圍有燃燒所需的空氣,兩者之間混合處就是發生劇烈化學反應的地方,空氣 與燃料彼此相互作用,蒸氣被耗盡了,同時也產生了光亮。在蠋芯發生劇烈化學反應之處,有很多化學物質生成,它們會吸收光線,前面提到火焰中較亮的部分在紙 屏上反而顯得較暗,就是因為反應物吸收光線的緣故。

我們可以把一片紙很快地插到火焰裡去,看看究竟是那個部位最熱,紙上會顯示出一圈燒黑的地方,它的位置正是發生化學反應之處。這實驗只要沒有太大 的干擾,在家裡就可以做成,先找一片紙,讓屋內的空氣靜下來(沒有流動),然後很快地將紙片放入火焰正中央再迅速拿出,會看到紙上有一塊燒焦的地方,中間 部位卻只有些許燒焦甚或完全沒有。多試一、二次後,就會做得熟練,而輕易地找到火焰中最熱的部位,也就是空氣及燃料結合的地方。

若我們把蠟燭放在一個密閉的大罐子內,一開始它會燒得很好,但情況很快就有了改變,你會看到火焰慢慢降低,最後熄滅了。這是由於空氣的供應不足, 使得燃燒不完全,燭火一滅馬上就有一束黑煙自蠟燭冒出,這些飛揚的碳粒是因為沒有足夠的新鮮空氣而產生的,蠟燭火焰的內部也同樣產生碳粒,但它們隨後在其 他的部位反應燒掉了。

當你拿一根管子插到火焰中的明亮部位時,管子另一頭會冒出白煙;如果把管子伸進火焰中最明亮那部分的上端時,會看見管子的另一端冒出黑煙。這黑煙 像墨水一樣黑,顯然與白煙不同,當你用火苗去點時,點不著它,反而把火弄熄了,這些粒狀物就是蠟燭的煙。組成煙的物質顯然早已存在於蠟燭內,否則它不會在 這裡冒出。法拉第也舉例說,在倫敦上空飛揚的煙霧,就是火焰中的這些黑煙,它們也是燃燒的產物。

火焰中的碳粒與光芒

最後談到蠟燭的光與熱。我們知道蠟燭曾是一種重要的照明工具,它很亮,但溫度不高;而同樣來自氫氧焰的火炬,溫度很高卻不亮。法拉第對這兩種火焰的差異,做了相當生動的解釋。

除蠟燭外,尚有其他形式的火焰,例如火藥的燃燒會產生火焰,它與蠟燭的火焰有什麼不同?火藥內需要加入碳及其他材料使它燃燒,然後才能產生火焰。 (提醒大家,如果想在家裡自己做這些實驗,必須小心。應該謹慎使用這幾樣化學品,否則它們會造成傷害的!)你可以拿一點火藥放在容器內,然後與鐵粉混合, 將鐵粉與火藥混合的目的,是要利用火藥點燃鐵屑,讓它們在空氣中燃燒,然後比較有火焰與沒有火焰的燃燒二者之間的差別。

當火藥點燃時,請注意這裡面會有二種燃燒發生,首先會看到火藥燃燒,它有火焰產生,然後看到鐵屑跟著點著了,但是它沒有火焰,它只是鐵屑的個別粒 子在燃燒(燒紅)。這二種燃燒的確有很大差別,這與它們發生火光的機制有關。當我們用油、氣體或蠟燭來照明時,就像以上情況一樣,有各種不同形式的燃燒 (包括氣體或固體)在進行著。

像鐵屑之類的物質,當它們沒有經過氣化過程就燃燒時,它們會變得很亮。其實對任何物質都一樣,只要是固體,不論它們燒著與否,加熱後都會變得很亮。蠟燭的光亮也是因為火焰中含有許多微小的固態粒子而造成的。固體粒子的存在與否,才是亮與不亮的主要原因!

先前的實驗證明火焰含有碳粒,這是蠟燭大放光明的原因。我們可以找一個沒有碳粒的火焰來比較,有一種物質叫氧,它可以與氫燒起來形成氫氧焰,它們 雖然是氣體,卻能產生比蠟燭更多的熱量,由於缺少粒子,它的火焰並不亮。但是若在其中放入一些固體,就會很亮,例如取一塊石灰放入火焰中,可以看到它很快 就會變得非常亮。(其實石灰並不會燃燒,而且一直是保持固態的)氫與氧燃燒的火焰會產生很多的熱,但一點都不亮,要光亮並不需要熱,要的是固體粒子。氫氧 焰中石灰塊產生的光芒,幾乎與日光相等。

如果將一條白金(鉑)絲線放在火焰中,可以看到它變得多亮!加熱這條白金絲線時並不會發生化學變化。若你把火焰弄小,使它只能放出一點點亮光,這 時火焰傳給鉑線的熱雖然只有一點點,依舊將鉑線弄得很亮。這些例子顯示了所有火光中都有顆粒,就是因為有這些顆粒的存在,才會帶給我們光輝與絢麗。

若我們用炙熱的氫氧焰來對著蠟燭火焰吹,使碳粒都完全燃燒,蠟燭火焰也會變藍而不亮。很顯然當我們用氫氧焰燒它時,有足夠的氧氣讓碳粒燒完,以致 無法將碳粒再釋放到火焰中。我們也可以在氫氧焰中放入一些會產生碳的東西來增加亮度,例如用一點樟腦油,它燒起來會產生許多煙,利用一支管子將這些煙送進 氫氣的火焰中,可以看到它立刻變得很亮,這是二度燃燒的碳粒子,用一張紙面對吹出來的氫氧焰,就能夠輕易看到它們。煤氣火焰中的光芒也是因粒子而產生的, 它和燭火的碳粒相同。

我們可以看到,在燃燒蠟燭時有東西產生,其中一部分是碳,此外還有其他物質產生,消失在空氣中。若是我們想知道消散在空氣中的物質有多少,可以進行以下實驗。

先前的二、三個實驗,已顯示上升的是熱氣,但為了要知道上升的物質為何,我們可做個簡易的實驗。利用一個裝滿酒精的盤子,就像蠟燭上的杯槽,在它 上面放一個像煙囪的東西,它有規範氣流的作用,頂端再套上氣球,點燃酒精後,在火焰頂端應該會收集到燃燒的產物,它與燃燒蠟燭所產生的物質相似。這種由酒 精所產生的火焰並不亮,因為酒精燃料產生的固體碳很少。

我們用氣球可收集燃燒的產物(氣球在充滿時必須抓住)。它會飛走是因為裡面裝滿了熱氣(這就是熱氣球的原理)。

如何可以看到火焰燃燒時產生的物質呢?用一支大試管倒放在燃燒的蠟燭上方,可以看到管子變得不透明了。如果我們將一支蠟燭放在一個大罐內,再用另 外一支蠟燭放在罐外當作照明用,可以看到罐內變得霧狀,而且燭火在罐內變弱了。如果找一支冷湯匙放在蠟燭上,調節它與蠟燭間的高度而不要使它變黑,在上升 的火焰中,我們發現有一種物質會凝聚在冷的湯匙或乾淨的面板上,或是任何其他低溫的物體上,但也有一部分物質不會凝結。我們首先要觀察會凝結的這部分,很 妙的是,我們發現這部分產物就是水。

最後作者要補充說明的是,物體加熱發光是日常生活中常見的現象,例如鐵燒熱會變紅,再加溫會變白熱。法拉第注意到氣體加熱後發出的光並不強,這可以拿我們日常所用的鎢絲燈來對照,它可是靠固體加熱發光。氣體發光的例子是霓虹燈,是由氖氣放電造成原子內部電子的躍遷而發光。

由於蠟燭火焰所能提供的能量不夠強,無法造成電子躍遷,因此一般氣體火焰都比較暗淡,如果將火焰溫度加高,焰中的碳粒在尚未形成電子躍遷前,早就 氣化而不存在了。對物體的加熱發光,到一九二五年量子理論提出後才完全了解,法拉第那個時代這些理論都尚未成形,但是他所描述的現象,則是完全正確與可解 釋的。


相關附件:《科學發展》2003年10月,370期,70~75頁

2013年10月8日 星期二

打點計時器原理

 這是一篇隱藏文章。

分類:教學資源
2012/09/15 06:18

打點計時器原理 - 相關部落格


http://tw.search.yahoo.com/search?p=%E6%89%93%E9%BB%9E%E8%A8%88%E6%99%82%E5%99%A8%E5%8E%9F%E7%90%86&fr=yfp&ei=utf-8&v=0


http://content.edu.tw/junior/phy_chem/ty_lk/std/content/force/cph15/cphf3.htm

吸管遊戲

 這是一篇隱藏文章。

分類:科學活動
2012/08/09 06:05
吸管風車
http://www.youtube.com/watch?v=lJXIdnaD6AE&list=FLjyVbMOZWZsstWH3lPBdVjw&index=2&feature=plpp_video

旋轉吸管
http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&NR=1&v=YIRObacIeqc

吸管蝦
http://www.youtube.com/watch?v=4r4lk4gi6ik&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=9gsaQtsRLjQ&feature=related

氣流迴轉線
http://www.youtube.com/watch?v=oHj5vZyJapo&feature=relmfu

竹籤振動風車
http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&NR=1&v=TpjKiZSsBIw

吸管浮沉子
吸管對折後用迴紋針夾住即可

吸管蟲
http://www.youtube.com/watch?v=jDdbcMEqHl8
http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&v=uWEKz-c7XuM&NR=1

吸管飛機
http://www.youtube.com/watch?v=ptR05KfBFTY
http://chc.k12.edu.tw/1003015434/sciclass/classroom/a082.htm

安全塑膠吸管吹箭
http://www.sec.ntnu.edu.tw/Monthly/96%28296-305%29/296-pdf/03.pdf
http://tw.myblog.yahoo.com/jw!pXwue4yIFhav2YOS.v0Afpc-/article?mid=7242&prev=7291&next=7240&sc=1

奈米球

吸管絃樂器彈奏
 http://www.youtube.com/watch?v=3Vp5gimK_bM

吸管粽子
http://www.youtube.com/watch?v=noL1XmLGChA

玫瑰花
http://www.youtube.com/watch?v=eAmlqN4FfpM&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=fEyLz9t3m14&feature=related

吸管笛
http://www.youtube.com/watch?v=MeAdpLdMZMA&feature=related

響笛直升機
http://www.youtube.com/watch?v=9ymiidbOMP0&feature=fvwrel

公道杯
http://www.youtube.com/watch?v=ppCigrmlu98&feature=relmfu

吸管魔術
http://www.youtube.com/watch?v=kNCs9EOtRTA
http://www.youtube.com/watch?v=4zcnzN55OGk
http://magickuo0201.pixnet.net/blog/category/2557663
http://www.youtube.com/watch?v=2ybkNQCgJSw&playnext=1&list=PL6D63258B3BB4FECC&feature=results_video
http://www.youtube.com/watch?v=5YHwn9-NdVE&feature=related

2013年10月7日 星期一

食品網路傳言

 

分類:玩科學
2012/07/11 06:09


 
資料來源:行政院衛生署食品藥物管理局

下載檔案可看到詳細說明,順便學習正確的知識

行政院衛生署食品藥物管理局
資訊豐富,有空可以逛逛

網路上很多人在轉載一些關於食品健康的電子郵件,一大堆人不明事理的到處亂傳,行政院衛生署食品藥物管理局整理了96項網路謠言的澄清文件...

這些在網路上廣為流傳的資訊,大多數是胡說八道的謠言,請不要再亂傳了....
 
食品網路傳言:
1.         EXTRA無糖口香糖」含阿斯巴甜,會致癌?
7.         台灣45﹪的花生都含有黃麴毒素?
17.    可樂+味精=FM2
18.    可樂+烤肉=骨癌?
25.    食物中添加了人工甘味-阿斯巴甜有致癌的可能?
34.    三明治+優酪乳=癌症?
37.    維他命品牌是名賜、康台.......請民眾不要再服用?
59.    有毒~不可先在蛋汁中加入鹽巴
61.    A 型肝炎---禍首竟然是: 青蔥及香菜
62.    這八種東西吃多了會歹匕人的 …! (1)
63.    這八種東西吃多了會歹匕人的 …! (2)
64.    這八種東西吃多了會歹匕人的 …! (3)
65.    這八種東西吃多了會歹匕人的 …! (4)
66.    這八種東西吃多了會歹匕人的 …! (5)
67.    這八種東西吃多了會歹匕人的 …! (6)
68.    這八種東西吃多了會歹匕人的 …! (7)
69.    這八種東西吃多了會歹匕人的 …! (8)
87.    TIME評選10

為什麼熱水比冷水凍結得快?

 

分類:玩科學
2012/06/30 09:39


大家可以親自實驗看看:
為什麼熱水比冷水凍結得快?這個看似簡單的問題曾經困擾了西方古代大科學家亞里斯多德和迪卡爾,但至今問題仍沒有最終答案。英國皇家化學學會決定懸賞,徵求這個問題的答案。
英國皇家化學學會會長菲利普斯教授表示,製造冰淇淋的人和酒吧侍者們,每天都在工作中利用熱水比冷水凍結快的這一現象,但是卻沒人知道其原理。
菲利普斯教授說,這個問題已經存在了上千年,亞里斯多德跟迪卡爾都曾經思考過這個問題,直到1968年重新引起科學界的注意。當時坦桑尼亞有一位好奇心重 的學生問老師,為什麼冰淇淋煮了以後,反而凍結得快。這位老師立刻告訴他,他所說的是錯的,是他幻想出來的。但這位老師自己做了實驗後,才認真注意起這一 奇怪的現象。
之後多年來,科學家們給予這個現象各種各樣的解釋。然而這一問題看似有很多可能的答案,卻缺乏一個最終答案。
英國皇家化學學會為了找尋答案,決定懸賞1000英鎊,不論是個人還是團體,只要能在7月30日之前提出答案,就有得到賞金的機會。
●(有興趣者可以透過www.hermes2012.org/ice提交答案)


資料來源:http://tw.news.yahoo.com/%E7%82%BA%E4%BD%95%E7%86%B1%E6%B0%B4%E6%AF%94%E5%86%B7%E6%B0%B4%E5%87%8D%E5%BE%97%E5%BF%AB-%E7%A7%91%E5%AD%B8%E7%95%8C%E5%BE%B5%E6%B1%82%E7%AD%94%E6%A1%88-062618440.html

彭巴效應

將熱水與冰水置於冷凍庫,哪個會先結冰?

將等量的熱水與冰水置於冷凍庫,哪一個會先結冰? 這問題的答案似乎相當明顯,幾乎所有人的憑直覺的判斷, 都一定會認為是冷水會先結冰。但是您是否曾親自做過實驗證明過呢?
在1963年, 非洲坦桑尼亞一位名叫 伊拉斯多˙彭巴 (Erasto B. Mpemba)的中學生,有一天他與同學在學校學習製做冰淇淋,他們依照老師的指示,首先將牛奶煮到沸騰,然後把牛奶與糖混合均勻,冷卻後製入冰箱即可。 但是學校的冰箱空間不大,彭巴又比較晚開始做,眼見同學們的混合物都已經冷卻的差不多, 即將可以放入冰箱,彭巴想著自己就快要搶不到冰箱的好位置,於是他等不及他的混合液冷卻,就直接放進冰箱。他心裡琢磨著,雖然這樣一來,可能會比花多點時 間,才能做好冰淇淋,但最起碼,自己的容器佔在冰箱裡的一個好位置上,想到這,心裡還是非常高興。其他的同學則都按部就班、按照老師的指示做, 一直等到牛奶冷卻到室溫,才放入冰箱中。等了一段時間後, 大家打開冰箱, 檢查冰淇淋是否做好,逐一地瞧去,似乎都還沒做好, 正準備關上冰箱們時,突然看到正中間的一個容器裡的冰淇淋已經好了, 看看容器上的標籤, 寫著伊拉斯多˙彭巴。而彭巴呢,正在旁邊休息, 壓根兒,也沒想到自己的冰淇淋會先好。聽到同學叫說,自己的冰淇淋已經好了,急忙跑向前去看,想說是否搞錯了。仔細端詳之後,確實是自己的沒錯, 但心裡還在想自己只比別人早不到幾分鐘放進去,而溫度又比大家高出那麼多,怎麼竟比其他同學快出許多。
一般人遇到這種情形,可能並不覺得這現象有什麼值得稀奇的地方,不過就是快點做好罷了,值得大驚小怪嗎?因此可能就讓一個有趣問題從手邊 溜走。 這可不是我們這一位彭巴同學, 他對這個現象感到十分好奇,決心弄清楚原由。於是他問了學校的物理老師,為什麼會發生這樣的現象, 老師回答說:“你的觀察會不會有些問題,根據某某物理學定律,那種情形是不可能發生",他指的其實是牛頓冷卻定律。他的老師的講法是, 假設我們將等量的兩杯水放到冷凍庫中,兩杯水的溫度都會開始下降,但熱水一定需要一些時間冷卻到冷水剛開始的溫度,而冷水卻在同樣的時間內已經降到更低的 溫度,因此熱水的溫度總是會比在同一時刻冷水的溫度高,所以熱水決不可能先開始結冰。
彭巴聽了之後, 覺得老師說得蠻有道理的,可能自己不知哪裡搞錯了吧,因此彭巴起初也相信他的老師之說法。但這維持不了多久,有一天,彭巴遇上一位在坦迦城中販賣冰淇淋的 兒時玩伴,彭巴跟他提起這件事,他這位老友告訴他說,這沒什麼稀奇,他在製作冰淇淋時,就發現過這種現象。這於是又激起彭巴對這個問題的興趣。於是他跑到 坦迦城中的每一家冰淇淋店問,結果發現許多人都有類似的經驗。彭巴於是想,上次跟物理老師的討論這個問題的時候,是用水做為討論的例子,這個現象應該跟冰 淇淋,或是用怎樣的溶液無關,因此他跟生物老師商量,借了學校的生物實驗室,用水來作實驗。實驗並不難進行,他將等量的水放置到兩個完全相同容器中,將其 中一個加熱到比較高的溫度,另一個則維持室溫,然後將這兩個容器靜置於冷凍庫中,經過不長的時間,結果出來,就如同冰淇淋的情況一般,熱水竟然也比較先開 始結冰。
原先彭巴的物理老師的解釋,熱水一定會比冷水慢結冰的講法難道錯了嗎?彭巴於是又將新的實驗結果告訴物理老師,他的老師卻完全不相信,說 道: "你知道嗎,你所說的,違背了牛頓冷卻定律,是不可能發生的",但彭巴企圖辯解說:"但我的實驗卻顯示...",老師不等彭巴說完,又說:"那是你自己的 物理學,可不是我們學校的物理學"。此後,只要是彭巴在學校有數學問題做錯了,老師與同學就開他玩笑,說那是彭巴的數學,跟我們大家的數學是不一樣的;若 是物理學問題做錯了,就說那是彭巴的物理學。雖然老師與同學都這樣的揶揄他,他仍然堅信他所仔細做的實驗是對的。
幾年之後, 一位英國的物理學家奧斯本教授(D. G. Osborne)受邀到彭巴的學校演講,演講結束後,許多學生問他關於英國大學入學,以及其他相關的問題。 彭巴也發了問,他所關心的與其他同學不同, 他的問題是:“為什麼熱水比冷水先結冰? ",奧斯本教授很客氣地詢問彭巴的意思是什麼?彭巴於是仔細地將他所做的實驗解釋給奧斯本教授聽,奧斯本教授表示對這個現象感到非常訝異,因為這似乎跟他 的直覺有所抵觸,所幸奧斯本教授是一位相當理性的物理學家,他接著回答說他無法立即想出一個好的解釋,但向他保證他回到英國後,會將這個實驗仔細地重複一 次。奧斯本教授在回英國後,果然很快就要求他的助手重新做彭巴的實驗, 很快地實驗做完了,助手告訴奧斯本教授,熱水比冷水先結冰,極可能是有些實驗條件沒控制好, 但是他會再重作,直到結果正確為止。助手將實驗重做了數次,結果仍然一樣,證實了彭巴的原先觀察。如果你覺得這個結果難以置信的話,不妨自己嘗試看看。
無獨有偶地,在奧斯本與彭巴證實了這個現象的同時,一位加拿大的科學家凱利博士也發現了同樣的現象。原來,在寒冷的加拿大,民間流傳著這 樣的說法,如果將等量的熱水與冷水至於冰凍的戶外,熱水會先結冰。雖然這個說法流傳甚廣,並未引發人們認真對待,都以為只是一個玩笑。凱利聽到這個民間傳 說後,感到好奇,決心做實驗來證明這個傳說的真偽。當然他發現了這個說法的確是真的,於是他用他所受的物理學訓練,提出液體蒸發的模型來解釋。他指出在這 個現象中,冷水與熱水主要是利用蒸發的方式來降溫,由於熱水的蒸發速率比冷水大,會失去較多的質量,因為熱水的量變少了,所以比冷水先結冰。科學上許多發 現常常有這種巧合,完全無關的人,在地球的不同角落,竟然在幾乎同樣的時間,思考同樣的問題,奧斯本教授與彭巴以及凱利博士兩組人都在同一年將結果發表在 歐洲的物理教育雜誌上。
凱利博士發表在他的結果時,並不知道奧斯本教授也做了相同的實驗。奧斯本教授與他的助手很仔細地測量揮發掉的質量,知道單靠揮發所減少的質量是不足以解釋 熱水會較快結冰的。 隨後又有人做了這個實驗,是在密封的容器中進行的,因此完全排除揮發對降溫的貢獻, 仍然可以觀察到熱水先結冰的現象。
多年來, 許多人陸續重複了這個實驗,目前這個現象已被廣泛地接受, 通常稱為彭巴效應。但是科學家卻還沒有完全明白這個效應是如何產生的,歸納起來, 人們提出了許多種可能的解釋:例如高溫容器的與環境有較大的溫差可產生較佳的熱傳導與對流,使得熱能更容易流到周遭的環境中; 另外有人認為熱水溶有較多的溶質, 可以較容易產生冰晶,使熱水更容易結冰,除此還有許奇怪的解釋,但是,決大多數的科學家都認為這些說法都不能完全解釋彭巴所發現的現象。
http://www.ch.ntu.edu.tw/~byjin/HSC/Mpemba.html
维基百科
http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BD%AD%E5%B7%B4%E6%95%88%E6%87%89