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杯中的奧秘
資料來源:科學研習月刊43-7

文/陳忠照/國立台北師範學院化學系
起杯子,似乎並不新奇;不過,如果杯子從世界上消失,生活會是什麼樣了呢?一早起床要刷牙,沒有‘牙杯’,口渴要喝水或喝茶,沒有‘茶杯’,想泡咖啡,沒有‘咖啡杯’;大人應酬要喝點兒酒,沒有‘酒杯’;生活是會走樣的。可見不起眼的杯子,卻是相當重要。杯子的材質,可多了;紙杯、瓷杯、鋼杯、塑膠杯、玻璃杯 ...,琳琳總總真有的瞧。看看日常生活的一些用語,諸如杯弓蛇影、杯水車薪、舉杯邀月、杯酒釋兵權等,可證實杯子在社會生活是有一席之地。本文乃從科學活動的角度來分享杯中的奧秘。我們試著從杯子的相關問題,探索有趣的科學內涵;請你準備一些杯水,玻璃杯等生活上的器物,我們一起來玩一玩、做一做。
 
1. 杯水的挑戰

〈情境〉

當拿到塑膠杯杯水(圖一),你是怎樣喝它呢?拿根吸管直接插入杯中吸用,或是把水杯上面的杯面膜撕開,就口即喝?


〈 問題 〉

我們暫且把喝水事擺一邊,請問使杯水的水“跑”出杯外來?請你想想看,做做看,再參閱下文。



〈 解決方法 〉

途徑一:打洞擠壓

用吸管在杯面模打個洞孔,手一擠壓施力(圖二〉,水就從洞孔湧出來。這項操作,在水槽上進行為宜,你認為如何?

途徑二:水從洞孔自動流出來

水杯杯面膜用吸管打一個洞,然後倒過來,水會自動流下來嗎?如果此刻你把吸管插入洞中(圖三〉,會有不同現象發生嗎?請注意杯中有沒有氣泡產生,壓力有什麼變化?如果你不打算插入吸管,那麼杯面膜要打多少洞,或是洞要打多大,水才會流出來?打洞的位置,杯面、杯底,或是杯側,都試試看,你有精彩的發現。

途徑三:噴霧遊戲

先在杯水插上一根吸管,再用第二根吸管以約90度的角度對著第一根吸管管口用力吹氣(圖四)。因為氣流快,壓力變小,杯中的水會被帶上吸管口而形成噴霧現象;請注意,吸管的長短,吹氣的力道,有沒有影響?如果是陽光絢麗的日子,不妨找幾位好朋友到戶外去,人手一杯水,一起玩玩噴霧遊戲;織要找對位置,選對角度,可望吹出一片美麗的彩虹喔 。

途徑四:其他

還有什麼方法可以讓杯裏的水流出來?請做做看,並說說它的道理。

圖一 杯水
圖一 杯水

打洞擠壓
圖二 打洞擠壓

吸管插入倒懸的水
圖三 吸管插入倒懸的水

圖四 噴霧遊戲
圖四 噴霧遊戲

 
2. 看,杯裡的水不會流出來

〈情境〉

由於重力和流體的性質,水是往低處流的。然而,看著魔術師把水倒入杯中,當杯子倒過來時,水卻沒有流出來,很神奇吧?


〈 問題 〉

傾倒杯子時,如何使杯裏的水,不會流出來呢?



〈 解決方法 〉

途徑一:加上杯蓋

杯子上加個蓋子,像環保杯有杯蓋(圖五),水就流不出來嘍。以是這種方式太普通了,總是希望來點兒不一樣的。 比方說,換上墊板覆蓋杯子,一手拿穩杯子,一手壓著墊板,然後倒過來,放開扶墊板的手(圖六),杯中的水和墊板會掉下去嗎?

途徑二:蒙覆手帕

在裝手有水的杯子覆上手帕,並用橡皮筋套住圈緊,把杯子倒過來,水會流出來嗎?一隻手拿著倒過來的杯子,另一隻手指頂頂杯口的手帕’或將手帕沿著杯緣上輕輕提一提(圖七),水會流下來嗎?杯中有氣泡冒上去嗎?為什麼?

途徑三:網面杯

拿紗窗用的紗網減一個杯口外緣,用強力膠或樹脂黏上杯口緣處(圖八)。把水倒入網面杯後,快速的把網面杯倒過來,使杯子垂口朝下;如果杯子的水還是會流出來的話,可拿墊板先蓋上網面杯,像途徑一,杯子倒過來,再緩移開墊板(,水在杯口網子形成一層“水膜”空氣進不去,杯外的大氣壓力比較大,杯了裏的水就流不出來了!操作時,你可選用透明的紗網,找個光線柔和一點的地方;別人看不清杯口有網子,還以為你有特異功能呢!

途徑四:其他

相信你已察覺到水雖然有往低處流的特性,而杯子中的水能不能流出來,還受到空氣壓力、水的壓力、流體的性質、杯子的傾斜度等因素的影響。同學們請你想想看,設計其他的方法讓水流不出來。

圖六 墊板蓋
圖六 墊板蓋

手帕功
圖七 手帕功

網面杯
圖八 網面杯

水流不出的網面杯
圖九 水流不出的網面杯

 

杯子除了裝水,供作喝飲料之用外,顯然隱藏許多有趣的奧祕。請你看看這個裝有彎頭吸管的杯子(圖十),是在塑膠杯杯底安插一支彎頭吸管,吸管和杯底接合處,要用樹脂或黏膠緊密黏合。把水徐徐倒入杯中,水會從吸管下端流出來嗎?請紀錄杯中水位的變化,觀察水的流動情形,你會發掘一些好玩的科學道理的。如果你對音樂有興趣,可準備七、八個玻璃杯或陶瓷杯並列在桌子上(圖十一),依次注入不同高度的水量來調整音階的高低,用一根小木棒或筷子輕輕敲擊,就是一套杯組敲擊樂器,演奏美妙的曲子。把杯子換成玻璃高腳杯,不用筷子敲擊,而是用手指(例如食指)沾點兒水,在杯口緣處來回摩擦,使杯子產生細微的震動,會發出非常悅耳嗡─的吟聲,組成另一套杯組觸摸樂器了(圖 十二 )。請試試看,不用高腳杯,而採用一般杯子,可以製作杯組觸摸樂器嗎?理由何在?

各位同學,靜下來仔細觀察桌上的杯子,端詳它的材質、造形、色彩、性質、功能 ...,你有什麼聯想,發現什麼問題?令人雀躍的科學活動可能就應連而生。身邊的東西,一張紙張,一根吸管, 一個保特瓶,一條橡皮筋等,在在暗藏玄機。科學活動貴在「用心看一看,動手做一做,仔細想一想」,本文在活動中提供了一些問題,你可試著和同學、師長、或父母討論、操作,不但會發現杯中的奧祕,也會領會到生活中處處有科學,處處有創意而歡喜。


圖十 彎頭插管塑膠杯

圖十一 杯組敲擊樂器

圖十二 杯組觸摸樂器
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