林宣安老師_創意教具DIY(新站)

2017年8月7日星期一

光纖氣氛燈_後續發展

人，就是經不起刺激
雖然我的光纖燈被人家嫌得一文不值
但我還是覺得有趣啊
於是加碼繼續玩下去
原本塑膠管裡面放水
但全反射效果不好
於是加入了一咪咪的夜光顏料

看會發生甚麼事
把我手邊有的LED燈全拿來試
(以下照片都是沒有關燈拍的)
白、暖白、紅、藍、綠、黃綠、橙(抱歉沒有粉紅色)

結果發現綠色完美啊~~
可能和夜光顏色偏綠有關(??)
紅色也可以
還可以變成雙色的

但效果棒呆了!!
甚至可以當做微微的照明功能
女兒說像是燈籠
不過，綠色燈籠...很詭異的感覺

2017年8月6日星期日

有個很要好的朋友前陣子不斷虧我
「你能不能像某某老師一樣平易近人一點」
「做些大家看得懂的東西」
「弄漂亮一點，當擺飾也好啊」
「不然有趣一點，也可以當玩具...」

蛤~~所以您老人家言下之意是我做的東西大家都看不懂?
我看只有你不懂吧~~(他不是學科學，也不是老師)
好，那我就弄一個給你當擺飾

當擺飾最好還是要會亮
單純燈泡不夠氣氛
那就用全反射吧
利用塑膠管和LED
配上電路和開關
塑膠管最後再用針筒加入水
這樣有沒有符合您平易近人的要求

結果...
「果然你林宣安弄不出個好看的東西」
「哪有人用藍光的!!」
「還用布丁罐」(其實是奶酪)
「上面也不裝飾一下」

XXX，如果你不是我幾十年的好朋友
馬上飛踢過去!!

果然還是理化老師懂我...
是的，這是討拍文

2017年8月3日星期四

教具存在的意義

前一陣子聽到有人說「你設計的教具都好有趣喔~~」
是嗎?其實我真的很懷疑，這些東西怎麼會有趣?
當初設計教具的出發點其實就是希望輔助抽象概念與平面解說的不足
或者是想要去釐清學生常有的迷思概念才從中設計出來的"輔助工具"
一開始就不是以"有趣"當作出發點
甚至有趣也不是必然一定要放進去的要素
但老師卻覺得有趣
或許是因為老師本身就是對這個主題有背景、有興趣的人
看到相關的就覺得有趣
日常教學不是科普推廣，對象不是一民眾，也不是帶著遊樂心情的小朋友
我們當然希望教學是充滿樂趣的，這也是我們希望去努力的目標
但卻不是最初的目的
而是過程中因為"付出"所產生的連結
狐狸對小王子說
「因為你為你的玫瑰花付出了這麼多時間，玫瑰花才會變得如此重要」
有趣的原因不是教具本身
而是你和它產生了連結

2017年8月1日星期二

馬德堡半球裡面的事...

接續上一篇空氣成分的檢驗
我們曾經也利用燃燒做出另一種馬德堡半球的實驗
但情況卻是完全不同的

首先我們利用燃燒讓密閉容器內部產生低壓，但在實際進行教學時，卻發現學生反而產生困惑。
先前作空氣成分檢驗實驗時，我們同樣利用燃燒讓廣口瓶內部產生低壓，因此許多學生也類推了相同的原理在這個教具身上。
但這時我們並沒有讓容器內部吸入水，換句話說，內部因燃燒所產生的二氧化碳並沒有被吸收，如此內部並無法產生如預期的低壓，那又是怎麼一回事？
這時老師就有必要引導學生進一步思考，我們利用燃燒使馬德堡半球內部產生低壓的原因，和空氣成分檢驗的實驗所利用的原理是不一樣的
我們此時單純只是利用高溫使氣體體積膨脹，當回到室溫時自然就形成低壓，這時所利用到的原理就不單純只是壓力的變化，而必須牽涉到化學的理想氣體方程式來說明。
假設產生的火燄溫度約600℃~800℃，容器內空氣的溫度達200 ℃，此時未完全蓋住上鍋蓋，因此壓力維持1大氣壓，蓋上上鍋蓋降回室溫25℃後，內部壓力就為因為氣體分子數的減少而變小。
代入理想氣體方程式：PV=nRT
當P與V維持固定的前提，莫耳數(n)與溫度(T)會成反比，
所以 n(前)/n(後) = (273+25)/(273+200)=0.63
也就是說約有40%空氣量因高溫而溢出容器，內外的壓力差也就有約0.4 atm，我們自製的馬德堡半球直徑約23公分，代入壓力公式F=PA=1033.6*0.4*(23/2)2 *π=171687gw=171.687 kgw，因此產生的力就有170kgw左右，在實際操作時，兩邊各2~3個學生也幾乎拉不開，實驗的高潮就在此沸騰到頂點。
實驗的另一個神奇之處當然就是老師如何利用科學將馬德堡半球輕易打開，其實我們事先已經在不鏽鋼鍋的邊緣鑽一小孔，雖然說壓力差約有400gw/cm2，但小孔的截面積卻只有0.03cm2左右(小孔半徑約0.1cm)，因此擠壓在膠帶上的力只有12gw，當然我們就可以輕易將膠帶撕開了，一旦撕開膠帶，不鏽鋼鍋內外的壓力恢復平衡，鍋子也就自動分離了。

2017年7月31日星期一

空氣成分的檢驗

好~~我知道這是一個引起筆戰的討論
但還是和大家分享好了
但我不會加入筆戰

八年級上學期的自然科第二章進入物質的分類，早期實驗利用蠟燭在密閉容器中燃燒水位上升來說明空氣只有部分的成分具有助燃性，實驗本身的設計其實問題不大，但卻有少部分的老師將實驗結果直接引入容器進入1/5體積的水，因此空氣成分中含有1/5體積的氧氣。這樣的實驗結果要推論到空氣成分含有約1/5的氧氣其實非常不恰當，首先進入容器中的水無法明確測量體積，蠟燭也占據了一定程度的體積，再者，以蠟燭的燃燒效率也不容易將容器內部的助燃物消耗殆盡，定量的部分相對就難以測量。
但是，再回到實驗本身的原理來看，為何容器內部分氣體被消耗掉，水就會進入容器內部？這就必須採用壓力的角度來解釋比較合適，但壓力單元卻又是下學期的內容。蠟燭燃燒後雖然消耗掉空氣中的助燃物(在此直接先以氧氣來說明)，但同一時間也產生了二氧化碳，這些二氧化碳不也佔據了原本被消耗掉的氧氣體積嗎？那產生的二氧化碳體積又有多少？為何水還會進入容器中？這些問題其實還是有必要說明清楚。
有關二氧化碳延伸出來的實驗問題，後來的教科書已經有改良成利用鋼絲絨的氧化(產生氧化鐵固體，而非二氧化碳)來避免解釋上的困擾，確實使得二氧化碳的干擾降到最低，但實驗時間卻必須拉長到數天才能明顯觀察出結果，也不太適合在課堂中即時呈現。因此，筆者嘗試改良了實驗的方式，或許仍無法作出精確的定量實驗，但方便在課堂中操作，也可以提供老師另一個教學參考。
教具設計如下

將衛生紙纏繞在鐵絲上，沾上少許酒精幫助燃燒

點燃衛生紙，等待火焰較小時再迅速蓋上廣口瓶，避免廣口瓶內的空氣熱膨脹使得實驗產生誤差

將注射軟管放入水中，再打開流量控制器，水立刻被吸入廣口瓶中，觀察吸入廣口瓶中的水量

體積約佔廣口瓶的1/5

在稍微練習過操作技巧後，可以做出非常接近1/5的結果，但產生的二氧化碳跑到哪裡去了？

根據美國維基百科的資料(註1)，在100KPa，25℃時，二氧化碳對水的溶解度約1.45g/L，這又是多大呢？大部分的人其實對這個數字有多大並沒有明確的概念，若將二氧化碳轉化為體積，就比較容易理解了，計算的方式如下：

代入理想氣體方程式：PV=nRT

1*V=1.45/44*0.082*298

V=0.805(L)

也就是1公升的水，約溶解0.8公升的二氧化碳。

這樣的溶解度以氣體來說不算小，若以筆者所設計的實驗來說，在容器中利用乙醇來燃燒，反應式如下：C2H5OH+3O2→2CO2+3H2O，假設完全燃燒，且溫度變化不大，依亞佛加厥定律，體積減少約(3−2)/3*0.21=7%，因此容器內部壓力因氣體分子數變小而較外界壓力小，水就會往容器內部流動，一旦水流入容器中，產生的二氧化碳就會溶入水中，我們特別將吸入的水加入廣用試劑，從變色的情況(綠色變為黃色)就可以知道二氧化碳確實有溶入水中，使得水呈現出弱酸性的黃色，理論上有80.5%的二氧化碳溶入水中，依比例來說約有(21%-7%)*0.805=11.27%，加上原本因燃燒所減少的7%，理論上水位約上升容器體積的18.25%，和我們預期的21%仍有約有13.1%的相對誤差(註2)。

但若將吸入的水改為石灰水，石灰水和二氧化碳會結合成固態的碳酸鈣，所影響的體積就會降低許多。

Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O

若產生1000cm3，1atm，25℃的二氧化碳

代入理想氣體方程式：PV=nRT

二氧化碳莫耳數=(1*1)/(0.082*298)=0.041莫耳

產生的碳酸鈣質量=0.041*100=4.1克，體積=4.1/2.8=1.46cm3

也就是說，當二氧化碳轉化為碳酸鈣，體積約縮小至原體積的1.46/1000=0.146%，理論上水位會上升容器積體的(1-0.146%)*14%+7%=20.98%，若以相對誤差來說，約只剩下0.095%，當然這只是理論值，實際操作還有許多人為與環境的不確定因素，使得準確率下降，但卻可以讓實驗本身有更多的參考價值。

註1

http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_dioxide

註2

以上推論都是假設我們利用乙醇可以將容器內部的氧氣完全燃燒且沒有熱膨脹的情況下來討論，因此可能會因為操作技巧與外在環境等因素，導致實驗產生極大的誤差，在此僅就數學上作探討。

2017年7月27日星期四

可調頻的火花打點計時器

聽到有人在討論希望有可以調整時間差的火花打點計時器
一般實驗室的陽春版都是利用市電的60赫茲當作標準
也無法調整時間差
對於一般的實驗頻率太大了(滑車速度不快)
結果就是一堆點堆在一起
有需求就會有壓力
壓力一來，靈感也來了
之前利用拍頻來控制閃燈
既然能控制閃燈，應該就控制其他東西
電路圖如下

打點計時器點火槍來充當
不過點火槍本身就有一個自己的脈衝
必須讓這個脈衝很高，才能當作低頻的火花打點計時器
這還算簡單，只要增高點火槍的電壓就好
不過這樣變成超功率，不能用太久，點火槍會燒壞

再來就是利用拍頻來計時了
透過擴大機將訊號放大來控制繼電器
必要時調整輸入電流大小
讓繼電器的開關動作能明確
繼電器再來控制點火槍
自製的"可調頻火花打點計時器"就搞定了
不知道實際上好不好用就是了...