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湯匙上的小水珠(上)~萊頓弗羅斯特現象 國二實驗(過程篇)

熱鍋上的螞蟻會跳腳,那~熱鍋上的水珠呢?

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2016-12-17 10:16:06 最後編修
2016-12-17 09:18:58 By zfang
 

熱鍋上的螞蟻會跳腳,那~熱鍋上的水珠呢?好幾個月前的某個星期四晚上,接到一通來自謝老師的電話,隔天他要到豐原演講,邀請我去看他的新實驗--湯匙系列。

謝老師的盛情邀約是無論如何都要請假趕去,那天一早先到學校拿取資料處理課務,再匆匆開車趕到豐南國中,對於養小水珠與爆米花印象深刻,雖然只學到後半部分,但我絕對相信這些實驗可以有很棒的發展性。於是帶回這些想法,設計成二節的動手做課程,再次仔細觀察這些實驗,也記錄學生們的心得體驗,並整理成文章與大家分享。

『湯匙上的小水珠』實驗是其中一個,只需要一根蠟燭、一根湯匙,以及一個可以逐滴加水的注射針筒,看似簡單的實驗,足足讓學生玩上一節課呢!(影片的部分是後來又帶國三學生操作時所記錄的,國三學生的心得更是精彩,請見續篇:湯匙上的小水珠(下) 國三"極品心得"之當老師真快樂篇)

首先,先準備燒開水的燃料。『先點燃蠟燭,並滴幾滴蠟油在瓶蓋使蠟燭站立在瓶蓋上,避免蠟油滴在桌面上。』這是我們的燭台。
『請將鐵湯匙放在燭火上加熱一分鐘,再以注射針筒滴一滴水在湯匙上,仔細觀察。』
為什麼要一分鐘?『可不可以直接就加水?』學生問。
直接就加水?『你可以試試看。』
結果呢?


其實沒怎樣,就是加熱提供能量,水慢慢地蒸發消失在湯匙上,只留下水痕。
(要不留痕,就要用蒸餾水或RO水。)

『沒變化呀!』學生說。
『怎麼會沒變化!水不見了就是變化,物理變化嘛!』
但,我們的實驗只是這樣嗎?當然不是。
所以~『要有耐心,讓湯匙在蠟燭上加熱一分鐘。當湯匙夠熱之後,此時再滴水,咱們再看看結果會如何?』


水滴不會直接散開,而是形成水珠,像顆球一樣在湯匙上滾來滾去。


晶瑩的小水珠在湯匙上滾來滾去,像荷葉上頑皮的露珠,好像有生命似的,真的好可愛。(佩錡)

…...我本來以為滴下的小水滴會馬上蒸發,沒想到滴下的水滴竟然形成了一顆像水晶一樣的小水珠。正當我想要放棄的時候,突然我的湯匙上發出了好多可愛的聲音。(祁璠)

原來,這是因為~當湯匙加熱到一定溫度時,滴下水滴時蒸發的水蒸氣會在水滴周圍形成一層很薄的蒸氣層,水蒸氣的傳熱比水慢得多,蒸氣層形成保護層阻隔熱的傳遞,水珠懸浮在蒸氣層上能持續一段時間而不會立即蒸發,還可以在湯匙上滾來滾去。這現象稱為萊頓弗羅斯特現象(Leidenfrost effect),又譯作李登弗斯特作用、賴登福現象:『當液體放在接觸一塊遠超其沸點的物件,液體表面會產生出一層有隔熱作用的蒸氣,令液體沸騰的速度大大減慢。』

應用面:廚師在預熱鍋子時,只要落下幾滴水看會否形成水珠,便可得知鍋子是否夠熱。如果還不夠熱,水會很快蒸發;如果鍋子夠熱,部分水滴瞬間蒸發,在水滴和鍋面之間產生一層蒸汽,因而使水滴在鍋內激烈跳躍。傳統的過火儀式,參加者沾溼的雙腳能平安快速通過火堆,正是因為萊頓弗羅斯特現象,使水蒸氣層暫時地隔絕熱傳到腳…(部分內容參考自:萊頓弗羅斯特現象 - 維基百科,自由的百科全書)

把水滴落在滾燙的湯匙上,若湯匙的溫度僅高於水的沸點(100°C),水滴會發出嘶嘶聲並迅速沸騰。但當湯匙到達約200度時,便會產生這個可愛現象~小水珠滾呀滾。

…...當你將一滴水滴入湯匙,有時候它會馬生蒸發,有時它會四處飛濺,有時它卻會乖乖浮在湯匙上。(曉慈)

就這樣嗎?
水珠終究還是會慢慢變小。
所以~『咱們要來養水珠,持續在加熱著的湯匙上慢慢滴水,把水珠”養大”!』
能養多大呢?


小水滴在湯匙凹處融合,可以養到小拇指一樣大呢!

很好養嗎?其實一點也不。
水珠居然爆開!(也因為水珠會爆開飛濺,所以要請學生戴上護目鏡。)

怎麼辦?降溫太快,一切只得重來。
有時則會散成幾粒小小的水滴在湯匙上彈跳!相當有趣。

很難嗎?也不會。
這時候的我放著音樂,讓學生們自行操作,只聽見驚喜與驚呼連連。

看似簡單的燒水、滴水,相當具有挑戰性!

…...實驗中我發現當水滴滴在高溫金屬時,水滴與金屬板之間會存在一層水蒸汽,使水滴金屬板有層阻隔,然後與下一個水珠相互碰撞,然後合併!(孝瑜)

…...實驗看起來十分簡單,但事實並非如此,而是非常具有挑戰性。光是燒湯匙養水珠就很艱難,不只要將湯匙燒到一定溫度,也要抓準時機加水。若是自己太心急,就會使好不容易做到的小水球全部蒸發掉。(柏慶)

…...要將小水滴養大實在不容易,只要一不小心就會爆開。我的水滴好不容易養大了,卻突然爆開得重來…雖說如此,但過程非常好玩,我很開心,很高興能做到這個有趣實驗。(淳翔)

…...剛開始湯匙還不夠熱,水一滴下去馬上就會彈開。然後湯匙上只剩下超小的水珠一直跳,最後就消失了。等到熱度差不多可以了,此時小水珠會在湯匙上面滾動旋轉,超可愛的!不過水珠仍會越來越小,所以要再加一點水將它養大。但可沒那麼好養,如果水滴的位置沒滴準,就會害原本那顆也一起破滅,而且養到太大顆它也會破掉喔!(芫安)

…...實驗中雖然有被爆開的水珠噴到,但我們一起討論出要夠熱才會形成小水珠,互助合作是在實驗中很重要的一件事。(得榮)


這個實驗是一人一組,學生一手持湯匙一手按壓注射筒,並仔細觀察。


相較之前做的許多互助合作型的操作活動,這個實驗比較像是自得其樂!

就這樣反反覆覆玩了好幾回,學生們這才發現...


湯匙底部已經焦得跟木炭一樣了!

請他們將湯匙放至冷卻,翻到已經變黑的湯匙背面,『滴水在湯匙背面,看看會有什麼變化?』

水滴會迅速由碳黑面滑開,這是因為碳的疏水性質,水珠與微粒碳之間有一層很細微的空氣層,因而形成類似水珠在蓮葉上滑動的蓮葉效應。

不過,黑黑的湯匙也因為不沾水,所以不好洗。帶著黑黑湯匙回家的學生,與見到黑湯匙可能發飆的媽媽,又會有什麼樣的發展?讓我們繼續看下去…

…...這次的實驗很神奇,我是第一次看到水珠在加熱後的湯匙上面滾來滾去,雖然回家因為湯匙整個都黑掉很難洗而被媽媽唸,但這個活動好玩又有趣,也讓我獲益良多。(詠琪)

…...這次的實驗帶湯匙是要來燒,而且還燒得超黑,害我回家差點洗不起來被罵了。不過,在我努力又搓又洗之下,又變得亮晶晶了!雖然如此,我還是覺得很好玩又有趣,做完這一個實驗後,很多人的手都便成了黑手,一個不小心就摸到臉、衣服呢!(孝瑜)

…...這個實驗好有趣,小水珠圓圓亮亮的樣子超可愛。這次我雖然有成功過,但持續的時間都很短暫。有一次好不容易形成了水珠,但卻因為我一時分心而讓他掉在桌子上,這讓我領悟到:成功之後不可以就此分心,不然美好的成果是不會持續的;沒有成功的時候也不要氣餒,只要持續的努力,終究可以成功。(譚雅)

…...我喜歡亂噴的水勝過漂亮的小水珠,因為迅速蒸發時那水珠很激動,往四處噴時如天女散花般的美。某某人說:『美與藝術不會只侷限在藝術家的作品內,世界上的任何物品都有美,只看大家是用何種眼光來觀看世界上的東西!』(力嘉)

…...抱著很期待的心情上動手做,我們玩了[小水滴匙上滾]的實驗。老師說,『科學就是要玩,但是在玩之餘,也要玩出心得!』這句話讓我印象深刻。實驗中我從玩中也體會出不但要將溫度控制好,也要抓準時機幫它加水。這是一個看似簡單卻又需要多次經驗才能完成的實驗,好幾次都因為太急使得小水珠大的、小的一次隨之破裂。而後學乖了,才懂得冷靜下來,有耐心地把這個實驗做完。(梓亘)


學生豐富精彩又用心的心得,讓實驗更有味了!

 


後來又帶國三學生操作,悶壞的國三學生心得更是精彩(同事說直接PO相片就夠看啦!),請見續篇:湯匙上的小水珠(下) 國三"極品心得"之當老師真快樂篇 

 

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