本影片完整講稿各位小朋友大家好 我們今天要上的單元是 物質的體積會隨著溫度來熱脹冷縮 什麼是熱脹冷縮呢 物質由許多小分子組成 像這樣子 尤其是固體 它排列得非常整齊 而且距離相當地靠近 當我們加熱的時候 溫度上升 會提供這些小小分子動能 距離就會慢慢的拉大 從外觀來看起來 整個物質就膨脹了 如果我們把溫度下降 那分子間的距離就會變小 排列得很整齊 所以從外觀看起來好像體積就變得小小的 所以以這個觀點來看就可以解釋 為什麼物體在溫度增加的時候體積就會變大 我們稱為受熱膨脹 那麼在溫度下降的時候 體積就會變小 我們就說這是冷卻縮小的變化 那麼到底氣體、固體、液體會不會都有熱脹冷縮的現象呢 我們先來探討氣體 因為氣體的分子距離比液體和固體更大 所以它是非常有彈性的 只要給它一點點的熱量 它的熱脹冷縮的表現就會非常明顯的 所以以固體、液體、氣體的熱脹冷縮來看的話 以氣體它的體積的熱脹冷縮的變化是最明顯的 那我們來做做看實驗 首先 我們先把瓶子套上氣球 再把氣球放在熱水裡頭 裡面的空氣碰到熱水 空氣就會迅速的膨脹出來 那麼膨脹之後 這些氣體就會衝到氣球裡頭 把氣球整個撐大起來 所以我們可以看到 氣球在熱水裡頭受熱膨脹的情形 那麼我們接著呢 再把氣球放到冷水裡頭 放到冷水裡之後呢 這些氣體就會收縮 氣球裡面的氣體就會再跑回錐形瓶裡面 當氣體體積變小的時候 氣球就只好垂下來 因為它的空氣全都收縮了 就可以了解到 空氣會熱脹冷縮而且相當的明顯 那麼液體會不會熱脹冷縮呢 液體的分子距離介於氣體和固體之間 所以熱脹冷縮雖然沒有氣體那麼明顯 但是卻也比固體容易發現 我們現在來進行一個實驗 在錐形瓶上插入軟木塞及玻璃管 要把它分別放入熱水及冷水中 觀察玻璃管內水位變化 首先先把水裡面加了許多冰塊 讓溫度接近零度 因為溫度變化越明顯 熱脹冷縮的情形也會越明顯 我們把它放到冰水裡 我們觀察到紅色的液體就會快速下降 表示水愈冷收縮了 水位就會降低 如果把它放到熱水裡頭 那假設我們放到80度c的熱水 那是相當燙的 那熱水就會使液體膨脹 那水位就會迅速上升 達到比之前更高的高度 就可以發現 原來放在熱水裡頭 水會受熱膨脹 所以紅色的液體就會慢慢的往上升 造成水位上升的狀況 所以我們就可以發現 液體其實也會受到溫度的影響 產生熱脹冷縮的現象 那麼固體會不會熱脹冷縮呢 一般來講 因為固體的分子距離是最小的 所以它熱脹冷縮的體積變化同樣的也是最小的 我們要如何來進行實驗呢 這邊我們可以用銅球和銅環來進行實驗 你可以來看一下 加熱前銅球 銅球其實可以穿過銅環 表示銅球其實比銅環還要小一點 那我們先把銅球拿來上面加熱 銅球加熱的時候 因為它的分子距離稍為拉大一點 導致銅球看起來會膨脹起來 那我們怎麼確定它是否有膨脹呢 因為它膨脹的樣子我們透過肉眼是不太容易發現的 我們再試一次穿過銅環 就會發現不行穿過去了 表示銅球受熱膨脹 無法穿過銅環 從這個實驗 我們可以知道固體其實也會熱脹冷縮 但是因為它的分子距離比較短 所以它其實不太容易被發現 可是我們可以用銅環跟銅球的實驗來證明 固體其實是會熱脹冷縮的 既然我們知道固體、液體、氣體都會熱脹冷縮 那同樣是固體或同樣是液體 是不是它膨脹的大小都一樣呢 我們可以發現 在同樣的溫度之下 每個物質膨脹的大小都不同 科學家要怎麼去表現呢 發現有些科學家利用數學去計算 它到底每個溫度它膨脹多少 我們用膨脹係數來代表物質它受熱膨脹的大小的展現 可以發現數值越大 代表物質越容易受熱膨脹 也就是說膨脹係數越大的 不管是固體、液體還室氣體 它相對來講 會比膨脹係數來的膨脹體積更大 那膨脹係數的公式怎麼去計算的呢 就是用物體上升一度所增加的體積再去除以原本體積 就可以算出它的膨脹係數了 舉例來講 液體乙醇它的膨脹係數是1119 鋁的膨脹係數只有23 那我們從膨脹係數來發現 乙醇就是我們所謂的酒精 酒精為什麼可以當作溫度計呢 重點在於它的膨脹係數相當的大 膨脹係數大呢它的水位變化比較明顯 我們才能測量環境的溫度 舉例來講 同樣增加十度來講 氣體液體跟固體到底膨脹係數有什麼差異呢 氣體一定大於液體 液體大於固體 因為它們的膨脹係數是有明顯落差的 世界上所有的固體、液體、氣體所有物質都遵守著熱脹冷縮的條件嗎 其實不一定 例如說水 跟一般的物質是不太一樣的 水以4度C當作一個臨界線 當水溫超過4度的時候 體積會隨著環境的溫度增加而變大 但是當水溫低於4度的時候呢 卻發現溫度降得越低 體積越大 因為水變成冰的時候 它的體積也會逐漸變大 所以我們用一些生活的例子來看一下 例如說 結冰的養樂多 它的瓶口已經鼓起來了 代表它變成冰塊之後體積變得更大了 所以小朋友必須知道 水以4度C為一個臨界點 它是屬於熱脹冷也脹的一個奇妙的物質 生活中到底有哪一些熱脹冷縮的例子 讓我們當作參考呢 如果我們知道這個是熱脹冷縮的原理所造成的 就可以事先做規劃與設計 以免發生一些問題或不幸的事件 例如說因為夏天氣體會熱脹冷縮 輪胎的胎壓會變得很大 為了擔心爆胎 夏季的輪胎不能打太飽 以免空氣膨脹造成爆胎 所以我們經常聽到 尤其是從冷的季節變成熱的季節的過程 因為輪胎中的空氣體積慢慢變大 造成爆胎的新聞產生 乒乓球本身體頭是含有大量的氣體 那如果我們要讓凹陷的乒乓球變回膨脹的樣子 最好是讓裡面的氣體受熱膨脹之後向外擠壓把乒乓球推回圓形 這是比較好的 所以當我們泡熱水的時候 乒乓球內部的空氣就會向外拉開 使空氣膨脹 最後回復原本球體的乒乓球 在夏天如果仔細觀察高壓電塔 會發現高壓電塔的線都垂垂的 怎麼不拉直 其實這是因為擔心冬天的時候 冬天的時候電線會冷縮 所以電塔之間的電線就會拉得比較直 如果夏天留得比較短 那冬天再拉緊的時候 就會造成電線斷裂的情況 發生危險 因此我們通常會在高壓電塔上預留電線 以防止熱脹冷壓造成電線斷掉的危機 再來橋梁上的通常會預留伸縮縫 這些伸縮縫是擔心橋梁在夏天受熱膨脹之後 橋梁跟橋梁之間因為太緊密了會翹起 那翹起的時候車子沒辦法過去 就會產生跳躍了 那可能對交通安全造成傷害 因此我們在橋梁間隙的地方都會預留伸縮縫 以免橋梁因為熱脹冷縮產生變形 進而影響交通安全 生活中如何應用熱脹冷縮的原理來製作一些小產品 或者是幫助生活更便利的工具呢 哪一些是利用液體熱脹冷縮所做成的呢 第一個我們想到的就是溫度計、熱情溫度計這個玩具 來測量愛情的溫度或是出現噴泉的效果 利用固體熱脹冷縮來設計的工具有哪些呢 例如電鍋的保溫電路 什麼意思呢 當固體受熱到一定程度後 會導致內部燃燒所以會有兩種金屬 如果它的溫度太高 金屬受熱膨脹就會把電源切斷 切斷之後就會達到安全的效果 所以透過固體的熱脹冷縮我們可以做安全裝置 氣體的熱脹冷縮可以做哪些用途呢 比如說有個玩具叫尿尿小童 我們先把水擠一點到尿尿小童的身體裡頭 再把它浸泡在熱水當中 裡頭的空氣就會瞬間受熱膨脹 膨脹之後就會把裡面的水擠出來 看起來是尿尿一樣 所以它這個玩具是利用空氣的熱脹冷縮做成的玩具 各位小朋友對熱脹冷縮小初步的了解 希望大家今天都有收穫 下課了