美 力 泡 泡 摘 要 發 現 水 面 上 兩 個 肥 皂 泡 靠 近 至 一 定 距 離 時 會 加 速 快 速 互 相 靠 近 這 代 表 了 此 時 肥 皂 泡 必 定 有 受 力, 才 能 產 生 加 速 度 經 由 資 料 分 析 及 一 連 串 的 實 驗 排 除 了 各 種 力 量 因 素 的 影 響, 如 : 萬 有 引 力 靜 電 力 分 子 間 吸 引 力 凡 德 瓦 力 外 側 的 大 氣 壓 力 白 努 利 原 理 等 等 最 後 找 出 造 成 此 一 現 象 的 成 因, 應 是 馬 拉 高 尼 效 應 (Marangoni Effect) 產 生 的 馬 拉 高 尼 流 的 帶 動, 導 致 兩 肥 皂 泡 加 速 靠 近 壹 研 究 動 機 肥 皂 泡 泡 這 個 七 彩 繽 紛 夢 幻 無 比 的 東 西, 是 許 多 人 童 年 的 回 憶 之 一 在 小 時 候 洗 澡 時 總 會 看 到 很 多 泡 泡 漂 浮 在 水 面 上, 當 時 就 有 觀 察 到 泡 泡 在 水 面 上 移 動, 兩 顆 泡 泡 快 接 近 的 時 候, 會 產 生 加 速 靠 近 的 現 象 當 時 僅 覺 得 很 好 玩, 並 沒 有 想 過 到 底 是 什 麼 原 因 造 成 這 樣 有 趣 的 現 象 因 此 在 國 中 學 習 到 力 的 觀 念 時, 知 道 物 體 受 力 會 產 生 加 速 度, 才 想 到 應 該 有 種 力 量 導 致 了 這 個 泡 泡 加 速 靠 近 的 現 象 因 此 我 們 從 新 設 計 實 驗, 首 先 先 觀 察 泡 泡 靠 近 的 過 程, 重 新 測 量 此 一 現 象, 確 認 其 真 實 性 再 一 步 一 步 實 驗, 排 除 各 種 不 可 能 的 力, 尋 找 分 析 是 因 何 種 力 造 成 此 一 現 象 - 1 -
貳 研 究 目 的 一 分 析 並 計 算 出 泡 泡 接 近 時 是 一 種 加 速 度 運 動 二 試 圖 找 出 造 成 肥 皂 泡 之 間 接 近 時 產 生 加 速 度 的 力 是 哪 種 力 三 試 圖 了 解 肥 皂 泡 接 近 時 的 原 理 參 研 究 設 備 及 器 材 器 材 : 燒 杯 攪 拌 棒 量 筒 切 割 墊 起 波 槽 滴 管 濾 網 自 製 吹 泡 器 玻 璃 水 缸 筆 電 單 眼 相 機 腳 架 高 速 攝 影 機 塑 膠 板 尺 粉 筆 藥 品 : 橄 欖 油 沙 拉 脫 洗 髮 精 蒸 餾 水 肆 研 究 過 程 或 方 法 一 自 製 吹 泡 器 製 造 大 小 相 同 且 穩 定 的 泡 泡 ( 一 ) 準 備 了 肥 皂 絲 甘 油 膠 水 洗 衣 粉 洗 衣 精 市 售 泡 泡 水 沙 拉 脫 洗 髮 精 ( 二 ) 進 行 實 驗, 探 討 哪 種 比 例, 可 以 讓 泡 泡 更 持 久 不 易 破, 經 過 調 配 及 實 驗 最 後 選 出 的 配 方 比 列 是 ( 市 售 泡 泡 水 : 沙 拉 脫 : 洗 髮 精 = 1 : 1: 1), 進 行 日 後 所 有 實 驗 ( 三 ) 因 為 考 量 到 要 吹 出 大 小 相 同 的 泡 泡 ( 以 利 計 算 ) 及 安 全 起 見 ( 不 易 吸 到 泡 泡 水 ) 所 以 由 自 製 吹 泡 器 取 代 吸 管 ( 四 ) 利 用 小 型 玩 具 打 氣 筒, 連 接 上 橡 皮 塞, 另 一 頭 接 上 吸 管, 製 成 自 製 吹 泡 器 二 發 現 泡 泡 互 相 靠 近 時 具 有 加 速 度 ( 一 ) 將 有 刻 度 方 格 的 切 割 墊 置 於 起 波 槽 的 下 方 及 水 缸 後 方 以 高 速 攝 影 機 從 上 方 及 側 面 拍 攝 ( 二 ) 高 速 攝 影 機 以 每 秒 30 張 的 拍 攝 速 度 紀 錄 過 程, 然 後 計 算 出 泡 泡 靠 近 時 的 間 隔 距 離 求 出 泡 泡 接 近 時 的 速 度 - 2 -
( 三 ) 以 Excel 程 式 分 析 畫 出 泡 泡 接 近 過 程 的 速 度 - 時 間 關 係 圖 三 分 析 並 推 測 泡 泡 間 的 吸 引 力 ( 一 ) 查 出 和 運 度 相 關 的 力 : 萬 有 引 力 分 子 間 吸 引 力 靜 電 力 凡 得 瓦 力 極 性 非 極 性 吸 引 力 內 聚 力 附 著 力 白 努 利 定 律 大 氣 壓 力 表 面 張 力 毛 細 現 象 等 等 排 除 力 量 太 小 或 需 要 很 近 距 離 才 能 發 揮 的 力 ( 二 ) 分 析 高 速 攝 影 機 所 拍 攝 下 來 的 照 片, 兩 個 泡 泡 內 側 會 變 形 成 橢 圓 形, 推 測 不 是 壓 力 所 造 成 的 ( 三 ) 利 用 消 去 法, 一 一 驗 證 各 種 力 的 可 能 性 四 測 試 表 面 張 力 對 泡 泡 接 近 的 影 響 ( 一 ) ( 一 ) 將 肥 皂 水 從 上 方 及 側 方 加 到 兩 個 互 相 靠 近 的 泡 泡 之 間 ( 二 ) 拍 攝 並 觀 察 記 錄 兩 個 泡 泡 的 靠 近 情 形 五 測 試 表 面 張 力 對 泡 泡 接 近 的 影 響 ( 二 ) ( 一 ) 將 橄 欖 油 從 上 方 及 側 方 加 到 兩 個 互 相 靠 近 的 泡 泡 之 間 ( 二 ) 拍 攝 並 觀 察 記 錄 兩 個 泡 泡 的 靠 近 情 形 六 分 析 毛 細 現 象 及 泡 泡 的 加 速 現 象 ( 一 ) 將 塑 膠 板 安 置 成 五 種 不 同 的 角 度, 和 水 面 的 夾 角 成 :25 度 40 度 60 度 75 度 90 度 ( 二 ) 分 別 拍 攝 並 觀 察 記 錄 泡 泡 的 靠 近 情 形 ( 三 ) 計 算 出 泡 泡 靠 近 時 的 間 隔 距 離 求 出 泡 泡 接 近 時 的 速 度 及 加 速 度 ( 四 ) 以 Excel 程 式 分 析 畫 出 泡 泡 接 近 過 程 的 速 度 - 時 間 關 係 圖 七 同 性 分 子 間 的 吸 引 力 ( 極 性 分 子 與 極 性 分 子 間 ; 非 極 性 分 子 與 非 極 性 分 子 間 ) ( 一 ) 將 紅 色 色 素 加 入 肥 皂 水, 再 吹 出 紅 色 泡 泡 到 水 面 上 ( 二 ) 從 側 面 拍 攝 紅 色 染 料 擴 散 的 情 形 ( 三 ) 將 粉 筆 灰 撒 入 水 面, 再 吹 出 肥 皂 泡 泡 到 水 面 上 ( 四 ) 拍 攝 粉 筆 灰 在 肥 皂 泡 周 圍 的 分 布 與 運 動 情 形 八 馬 拉 高 尼 效 應 的 影 響 - 3 -
( 一 ) 將 以 紅 色 色 素 將 水 槽 中 的 染 色, 再 吹 出 肥 皂 泡 到 水 面 上 ( 二 ) 從 側 面 拍 攝 紅 色 染 料 擴 散 的 情 形 - 4 -
伍 研 究 結 果 一 自 製 吹 泡 器 製 造 大 小 相 同 且 穩 定 的 泡 泡 ( 一 ) 上 網 搜 尋 肥 皂 泡 的 配 方, 準 備 了 肥 皂 絲 甘 油 膠 水 洗 衣 粉 洗 衣 精 市 售 泡 泡 水 沙 拉 脫 洗 髮 精 等 等 材 料 ( 二 ) 進 行 各 項 配 方 實 驗, 探 討 哪 種 比 例, 可 以 讓 泡 泡 更 持 久 不 易 破 經 過 調 配 及 實 驗 最 後 選 出 的 配 方 比 列 ( 市 售 泡 泡 水 : 沙 拉 脫 : 洗 髮 精 = 1 : 1: 1) 所 吹 出 的 泡 泡 最 持 久, 之 後 以 此 配 方 進 行 所 有 實 驗 ( 如 圖 1) ( 三 ) 因 為 考 量 到 要 吹 出 大 小 相 同 的 泡 泡 ( 以 利 計 算 ) 及 安 全 起 見 ( 不 易 吸 到 泡 泡 水 ) 所 以 由 自 製 吹 泡 器 取 代 吸 管 ( 四 ) 利 用 小 型 打 氣 筒, 連 接 上 橡 皮 塞, 另 一 頭 接 上 吸 管, 製 成 自 製 吹 泡 器 ( 如 圖 2) 圖 1: 各 種 泡 泡 配 方 圖 2: 自 製 吹 泡 器 - 5 -
二 發 現 泡 泡 互 相 靠 近 時 具 有 加 速 度 ( 一 ) 將 有 刻 度 方 格 的 切 割 墊 置 於 起 波 槽 的 下 方 以 高 速 攝 影 機 拍 攝 ( 如 圖 3) 再 將 有 刻 度 方 格 的 切 割 墊 及 標 準 尺 置 於 透 明 魚 缸 的 前 後 方 以 高 速 攝 影 機 拍 攝 ( 如 圖 4) 圖 3: 從 上 方 拍 攝 泡 泡 接 近 的 過 程 圖 4: 從 側 面 拍 攝 泡 泡 接 近 的 過 程 ( 二 ) 高 速 攝 影 機 以 每 秒 30 張 的 拍 攝 速 度 紀 錄 下 泡 泡 靠 近 的 過 程, 然 後 計 算 出 泡 泡 靠 近 時 的 速 度 ( 三 ) 將 計 算 出 來 的 數 值 以 Excel 程 式 分 析 畫 出 泡 泡 接 近 過 程 的 速 度 - 時 間 關 係 圖 ( 四 ) 可 發 現 接 觸 前 ( 如 圖 5), 泡 泡 靠 近 時 會 速 度 會 增 加, 可 知 此 時 肥 皂 泡 必 定 有 受 力, 才 會 產 生 加 速 度 ( 五 ) 而 接 觸 後 速 度 更 是 暴 增 ( 如 圖 6), 又 急 速 下 降 這 應 該 是 兩 肥 皂 泡 接 觸 時, 產 生 相 互 附 著 之 力, 加 速 靠 近, 之 後 速 度 又 因 相 撞 而 下 降 圖 5: 接 觸 前 兩 肥 皂 泡 速 度 時 間 關 係 圖 圖 6: 接 觸 過 程 兩 肥 皂 泡 速 度 時 間 關 係 圖 - 6 -
三 分 析 並 推 測 泡 泡 間 的 吸 引 力 ( 一 ) 為 了 知 道 造 成 這 兩 個 泡 泡 間 的 力 到 底 是 甚 麼 力, 起 初 我 們 利 用 電 腦 查 出 了 以 下 幾 種 力 : 萬 有 引 力 分 子 間 吸 引 力 靜 電 力 凡 得 瓦 力 同 性 分 子 間 吸 引 力 內 聚 力 附 著 力 白 努 利 定 律 大 氣 壓 力 表 面 張 力 毛 細 現 象 等 等 但 是, 因 為 有 些 力 量 太 小, 所 以 經 由 老 師 解 釋 後 排 除 到 只 剩 下 : 內 聚 力 附 著 力 白 努 利 定 律 大 氣 壓 力 同 性 分 子 吸 引 力 表 面 張 力 毛 細 現 象 這 幾 種 ( 二 ) 然 而 分 析 了 高 速 攝 影 機 所 拍 攝 下 來 的 照 片, 發 現 當 兩 個 泡 泡 快 要 接 觸 時, 兩 個 泡 泡 內 側 會 變 形 成 橢 圓 形, 而 外 側 還 是 保 留 圓 形 會 造 成 這 樣 的 結 果 應 該 是 兩 個 泡 泡 間 有 吸 引 力, 並 非 是 由 外 側 往 內 推 所 造 成 的 ( 如 圖 7 圖 8) 圖 7: 從 上 方 觀 察 泡 泡 變 形 的 過 程 圖 8: 從 側 面 觀 察 泡 泡 變 形 的 過 程 ( 三 ) 因 此 應 該 可 以 排 除 大 氣 壓 力 及 白 努 利 定 律 的 關 係, 因 為 這 些 力 是 從 外 面 往 中 間 推 應 該 是 會 造 成 ( 如 圖 9) 的 變 形, 而 我 們 觀 察 到 的 變 形 是 ( 如 圖 10) 的 變 形 應 該 是 來 自 拉 力 非 推 力 圖 9: 外 側 推 力 造 成 的 變 形 圖 10: 中 間 吸 引 力 造 成 的 變 形 - 7 -
四 測 試 表 面 張 力 對 泡 泡 接 近 的 影 響 ( 一 ) ( 一 ) 國 小 曾 做 過 表 面 張 力 的 實 驗, 在 一 個 很 輕 的 紙 船 後 面 夾 上 一 小 塊 肥 皂, 小 船 便 會 自 行 前 進, 原 理 是 因 為 肥 皂 會 破 壞 水 的 表 面 張 力 所 以 我 們 想 到 在 泡 泡 接 近 時 如 果 滴 入 肥 皂 水 在 中 間, 不 知 道 會 有 甚 麼 變 化? ( 二 ) 因 此 在 泡 泡 接 近 的 瞬 間, 從 上 方 及 側 方 滴 入 肥 皂 水 結 果 ( 如 圖 11 12) 所 示, 兩 個 泡 泡 靠 近 不 受 影 響 圖 11: 從 上 方 滴 入 肥 皂 水, 泡 泡 靠 近 不 受 影 響 圖 12: 從 側 方 滴 入 肥 皂 水, 泡 泡 靠 近 不 受 影 響 ( 三 ) 泡 泡 靠 近 還 是 以 加 速 度 前 進, 而 且 肥 皂 水 還 稍 稍 被 排 開 而 且 當 肥 皂 水 從 上 方 滴 下 去 時 激 起 水 波 也 不 影 響 泡 泡 的 靠 近, 最 後 泡 泡 還 是 黏 合 在 一 起 ( 四 ) 因 此 得 到 初 步 的 結 果 顯 示, 泡 泡 間 的 吸 引 現 象 並 非 是 單 純 的 表 面 張 力 所 造 成 的 並 非 國 小 時 所 學 的, 肥 皂 船 前 進 是 因 為 肥 皂 破 壞 了 表 面 張 力, 而 由 表 面 張 力 不 同 所 引 起 的 加 速 度 運 動 - 8 -
五 測 試 表 面 張 力 對 泡 泡 接 近 的 影 響 ( 二 ) ( 一 ) 雖 然 前 一 個 實 驗 滴 肥 皂 水 之 後 泡 泡 還 是 會 靠 近, 讓 我 們 初 步 排 除 了 表 面 張 力 因 素 所 導 致 的, 但 是 老 師 認 為 還 是 要 再 次 確 認, 因 此 我 們 再 次 以 油 滴 來 實 驗, 在 泡 泡 接 近 時 如 果 滴 入 橄 欖 油 在 中 間, 不 知 道 會 有 甚 麼 變 化? ( 二 ) 因 此 在 泡 泡 接 近 的 瞬 間, 從 上 方 及 側 方 滴 入 橄 欖 油 結 果 ( 如 圖 13 14) 所 示, 兩 個 泡 泡 加 速 靠 近 還 是 不 受 影 響 圖 13: 從 上 方 滴 入 橄 欖 油 泡 泡 還 是 不 受 影 響 圖 14: 從 側 方 滴 入 橄 欖 油, 泡 泡 還 是 不 受 影 響 ( 三 ) 觀 察 實 驗 結 果 發 現 橄 欖 油 會 融 合 在 一 起, 進 到 泡 泡 的 下 面, 而 泡 泡 靠 近 還 是 以 加 速 度 前 進 顯 示 即 使 水 面 分 布 了 橄 欖 油 影 響 表 面 張 力 後, 仍 不 影 響 泡 泡 靠 近 的 吸 引 力 ( 四 ) 因 此 再 次 證 實 : 泡 泡 間 的 吸 引 現 象 並 非 是 由 肥 皂 在 水 中 的 表 面 張 力 所 引 起 的 - 9 -
六 分 析 毛 細 現 象 及 泡 泡 的 加 速 現 象 ( 一 ) 我 們 將 肥 皂 泡 泡 的 照 片 放 大 後, 可 觀 察 到 肥 皂 泡 泡 在 水 面 上 接 觸 點 是 向 外 翻 的 弧 面 在 二 年 級 上 學 期 的 自 然 與 生 活 科 技 課 程 中 學 到 : 水 對 玻 璃 的 附 著 力 大 於 內 聚 力, 所 以 當 水 裝 於 量 筒 中, 兩 邊 會 吸 附 上 去 玻 璃 管 越 細, 上 升 的 高 度 就 越 高 我 們 猜 測 在 兩 泡 泡 接 近 至 一 定 距 離 時, 兩 肥 皂 泡 泡 間 很 類 似 毛 細 現 象 的 細 管, 此 時 兩 泡 泡 間 的 水 會 被 向 上 拉 升, 此 時 就 會 使 得 兩 泡 泡 加 速 靠 近 ( 如 圖 15) 因 此 接 下 來 要 分 析 泡 泡 的 加 速 運 動 是 否 和 毛 細 現 象 有 關 圖 15: 想 像 毛 細 現 象 造 成 兩 泡 泡 加 速 靠 近 示 意 圖 ( 二 ) 首 先 請 老 師 教 導 毛 細 現 象 的 相 關 知 識, 知 道 毛 細 現 象 和 接 觸 面 的 角 度 有 關, 接 觸 面 的 角 度 越 大, 吸 引 力 越 大 因 此 我 們 設 計 了 五 種 不 同 角 度 的 接 觸 面, 分 別 是 : 25 40 60 75 90 度, 分 別 測 出 泡 泡 接 觸 過 程 的 的 加 速 度 現 象 ( 如 圖 16) 圖 16: 左 上 25 度 右 上 40 度 左 下 60 度 右 下 75 度 不 同 角 度 接 觸 面 實 驗 - 10 -
( 三 ) 若 是 兩 泡 泡 靠 近 會 有 加 速 現 象 是 是 因 為 毛 細 現 象, 角 度 越 大, 那 理 論 上 應 該 加 速 現 象 會 越 明 顯 但 從 結 果 ( 如 圖 17~28) 我 們 可 以 得 知 在 接 觸 到 斜 面 前, 泡 泡 加 速 現 象 與 角 度 的 關 係 並 非 我 們 預 期 的 角 度 越 大 加 速 度 越 大, 反 而 是 角 度 越 大 加 速 情 形 越 不 明 顯 因 此 可 以 排 除 毛 細 現 象 ( 四 ) 而 接 觸 斜 面 後, 速 度 暴 增, 又 急 速 下 降 這 應 該 是 肥 皂 泡 接 觸 斜 面 時, 產 生 相 互 附 著 之 力, 加 速 靠 近, 之 後 速 度 又 因 相 撞 而 下 降 此 時 可 觀 察 到, 角 度 越 大, 接 觸 後 加 速 越 大, 表 示 附 著 力 量 越 大 圖 17: 接 觸 前 不 同 角 度 速 度 時 間 關 係 圖 圖 18: 接 觸 過 程 不 同 角 度 速 度 時 間 關 係 圖 圖 19: 接 觸 前 25 角 速 度 時 間 關 係 圖 圖 20: 接 觸 過 程 25 角 速 度 時 間 關 係 圖 圖 21: 接 觸 前 40 角 速 度 時 間 關 係 圖 圖 22: 接 觸 過 程 40 角 速 度 時 間 關 係 圖 - 11 -
圖 23: 接 觸 前 60 角 速 度 時 間 關 係 圖 圖 24: 接 觸 過 程 60 角 速 度 時 間 關 係 圖 圖 25: 接 觸 前 75 角 速 度 時 間 關 係 圖 圖 26: 接 觸 過 程 75 角 速 度 時 間 關 係 圖 圖 27: 接 觸 前 90 角 速 度 時 間 關 係 圖 圖 28: 接 觸 過 程 90 角 速 度 時 間 關 係 圖 - 12 -
七 同 性 分 子 間 的 吸 引 力 ( 極 性 分 子 與 極 性 分 子 間 ; 非 極 性 分 子 與 非 極 性 分 子 間 ) ( 一 ) 當 從 側 面 拍 攝 吹 出 泡 泡 的 過 程 中 觀 察 到 其 實 淡 黃 色 的 肥 皂 水 隱 約 可 見, 而 且 會 慢 慢 擴 散 並 沉 到 底 部 且 肥 皂 泡 泡 在 水 面 上 接 觸 點 是 向 外 翻 的 弧 面, 因 此 猜 測 會 不 會 是 因 為 肥 皂 分 子 會 向 外 側 擴 散, 當 兩 個 肥 皂 泡 泡 向 外 側 擴 散 的 部 分 接 觸 時, 同 性 分 子 間 的 吸 引 力, 使 兩 個 泡 泡 加 速 靠 近 ( 如 圖 29~32) 圖 29: 水 面 上 的 肥 皂 泡 中, 肥 皂 分 子 分 布 示 意 圖 1 圖 30: 空 氣 裡 的 肥 皂 泡 中, 肥 皂 分 子 分 布 示 意 圖 圖 31: 水 面 上 的 肥 皂 泡 中, 肥 皂 分 子 分 布 示 意 圖 2 圖 32: 肥 皂 分 子 擴 散 部 分 接 觸 示 意 圖 - 13 -
( 二 ) 所 以 為 了 便 於 觀 察 此 一 現 象, 我 們 以 紅 色 染 料 將 肥 皂 水 染 色, 再 吹 出 肥 皂 泡 到 水 面 上 如 果 泡 泡 是 因 為 同 性 分 子 間 的 吸 引 力 造 成 加 速 現 象, 那 麼 應 該 可 以 觀 察 到 兩 泡 泡 紅 色 的 部 分 會 先 互 相 融 合 在 一 起, 再 產 生 泡 泡 加 速 靠 近 的 現 象 從 側 面 拍 攝 泡 泡 顏 色 變 化 的 情 形 ( 如 圖 33) 在 兩 肥 皂 泡 泡 加 速 靠 近 的 過 程 中, 紅 色 染 料 顏 色 極 淡, 且 紅 色 染 料 為 水 溶 性 染 料, 似 乎 並 不 會 隨 著 肥 皂 分 子 移 動 因 此 無 法 有 效 觀 察 到 色 素 擴 散 接 觸 的 現 象 圖 33: 泡 泡 未 接 觸 前 ( 左 圖 ) 及 接 觸 後 ( 右 圖 ), 紅 色 染 料 的 分 布 情 形 並 無 變 化 ( 三 ) 因 採 紅 色 染 料 觀 察 無 效, 因 此 我 們 改 用 在 水 面 上 灑 上 粉 筆 灰 的 方 式, 想 看 看 在 肥 皂 泡 周 圍 粉 筆 灰 的 分 布 情 形, 想 藉 此 觀 察 是 否 能 夠 證 實 肥 皂 泡 邊 緣 有 肥 皂 分 子 的 擴 散 現 象 此 時 我 們 發 現 兩 個 現 象 : 1. 若 粉 筆 灰 是 漂 浮 在 水 面 上 時, 靠 近 肥 皂 泡 時, 不 太 容 易 靠 近 肥 皂 泡, 會 在 其 邊 緣 形 成 一 圈 無 法 靠 近 的 範 圍 ( 如 圖 34) 但 這 可 能 是 因 肥 皂 泡 泡 在 水 面 上 接 觸 點 是 向 外 翻 的 弧 面, 類 似 一 斜 面, 導 致 粉 筆 灰 無 法 爬 高 不 易 靠 近, 無 法 明 確 證 實 倒 底 有 沒 有 肥 皂 分 子 擴 散 現 象 圖 34: 肥 皂 泡 邊 緣 形 成 一 圈 粉 筆 灰 無 法 靠 近 的 範 圍 - 14 -
2. 少 量 粉 筆 灰 進 入 水 中, 居 然 會 快 速 向 肥 皂 泡 靠 近 後, 進 入 肥 皂 膜 內 向 上 爬 升 ( 如 圖 35) 此 一 現 象 令 人 驚 訝! 這 證 明 了 有 一 股 力 量 將 水 從 肥 皂 泡 泡 外 吸 引 向 肥 皂 泡 泡 內 當 兩 肥 皂 泡 靠 近 時, 同 時 間 吸 引 兩 者 中 央 的 水 時, 就 會 導 致 兩 肥 皂 泡 泡 靠 近 1 2 3 4 5 6 7 8 圖 35: 粉 筆 灰 被 吸 入 肥 皂 膜 內, 向 上 爬 升 - 15 -
八 馬 拉 高 尼 效 應 (Marangoni Effect) ( 一 ) 根 據 撒 粉 筆 灰 的 實 驗 結 果, 可 知 肥 皂 泡 周 圍 會 產 生 一 股 水 流, 由 外 流 向 肥 皂 泡 膜 內 部 因 此 我 們 去 查 詢 資 料, 發 現 肥 皂 泡 中 有 一 個 很 有 趣 的 現 象 就 是 馬 拉 高 尼 效 應 (Marangoni Effect), 當 肥 皂 膜 變 薄 時, 該 處 肥 皂 分 子 濃 度 下 降, 表 面 張 力 變 大, 而 一 旁 肥 皂 膜 較 厚 肥 皂 分 子 濃 度 較 高 的 區 塊, 表 面 張 力 較 小, 進 而 導 致 液 體 從 肥 皂 膜 厚 的 區 域 流 向 肥 皂 膜 薄 的 區 域, 此 一 流 動 結 果 稱 為 馬 拉 高 尼 流 這 可 視 為 肥 皂 泡 的 自 體 修 復 能 力, 快 破 裂 的 薄 區 獲 得 厚 區 流 來 的 液 體 補 充, 因 此 才 不 會 破 裂 ( 二 ) 而 肥 皂 泡 因 受 重 力 影 響, 會 導 致 上 方 肥 皂 膜 較 薄 肥 皂 分 子 少 表 面 張 力 大, 而 下 方 與 水 接 觸 的 地 方 肥 皂 膜 較 厚 肥 皂 分 子 多 表 面 張 力 小, 此 時 就 會 產 生 馬 拉 高 尼 效 應 (Marangoni Effect) 所 造 成 的 馬 拉 高 尼 流 ( 如 圖 36) 因 此 只 要 肥 皂 泡 進 入 了 馬 拉 高 尼 流 的 範 圍, 就 會 帶 動 相 互 靠 近 馬 拉 高 尼 流 馬 拉 高 尼 流 圖 36: 水 面 上 肥 皂 泡 中, 馬 拉 高 尼 效 應 示 意 圖 ( 三 ) 為 了 確 認 馬 拉 高 尼 效 應 在 肥 皂 泡 中 確 實 存 在, 我 們 將 水 槽 中 的 水 以 紅 色 染 料 染 紅, 再 將 肥 皂 泡 吹 於 水 面, 此 時 可 觀 察 到 水 槽 中 的 紅 色 染 料, 由 底 部 迅 速 上 升 至 頂 部 ( 如 圖 37) 這 可 以 證 明 確 實 在 肥 皂 泡 中, 有 馬 拉 高 尼 流 的 存 在 - 16 -
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陸 討 論 一 本 實 驗 我 們 採 用 高 速 攝 影 機 (f=30 張 / 秒 ), 連 續 拍 照, 並 在 肥 皂 泡 下 方 墊 上 方 格, 觀 察 其 在 方 格 紙 上 的 移 動 狀 態 兩 肥 皂 泡 在 接 近 至 大 約 1cm 左 右 會 極 快 的 加 速 接 近, 但 我 們 使 用 的 直 尺 最 小 刻 度 為 mm, 而 在 1/30 秒 內 肥 皂 泡 移 動 不 足 1mm, 因 此 導 致 判 讀 上 我 們 採 取 將 拍 攝 到 的 照 片 放 大 至 全 螢 幕, 在 估 計 位 置 至 0.1mm 的 單 位, 此 時 人 為 的 判 讀 上, 會 產 生 較 大 的 誤 差 但 還 是 可 以 看 出 在 接 近 過 程 中 速 度 增 加, 產 生 加 速 度 的 現 象 若 能 以 更 小 刻 度 的 尺 去 測 量, 必 定 可 以 有 更 精 準 的 測 量 結 果 二 在 六 分 析 毛 細 現 象 及 泡 泡 的 加 速 現 象 的 實 驗 中, 改 變 斜 面 角 度, 可 發 現 角 度 較 小 時, 好 像 有 較 明 顯 的 加 速 而 90 度 垂 直 時, 反 而 在 接 觸 前 加 速 現 象 不 明 顯 我 們 猜 測 這 可 能 是 因 為 因 夾 角 越 小, 肥 皂 泡 與 斜 面 的 間 所 容 納 的 水 越 少, 當 馬 拉 高 尼 流 將 水 一 抽 走 後, 液 面 下 降 的 較 快, 導 致 肥 皂 泡 流 向 低 處, 因 此 向 斜 面 加 速 較 明 顯 三 可 惜 的 是 我 們 在 七 同 性 分 子 間 的 吸 引 力 實 驗, 並 沒 有 辦 法 有 效 的 觀 察 到 肥 皂 分 子 的 擴 散 現 象, 僅 觀 察 到 在 肥 皂 泡 邊 緣 形 成 一 個 粉 筆 灰 無 法 進 入 的 範 圍, 若 能 有 直 接 觀 察 肥 皂 分 子 的 觀 測 方 式 ( 如 將 直 接 染 色 於 肥 皂 分 子 上 等 ), 就 可 以 確 實 釐 清 是 否 有 這 一 項 力 量 的 影 響, 導 致 肥 皂 泡 間 加 速 靠 近 四 將 撒 粉 筆 灰 於 水 面 上 後, 再 吹 泡 泡 於 水 面 上, 可 觀 察 到 少 量 進 入 水 的 中 粉 筆 灰, 會 被 馬 拉 高 尼 流 帶 入 肥 皂 膜 中, 逆 流 而 上, 並 達 到 一 定 高 度 後, 就 會 轉 向 這 有 兩 種 可 能 1. 應 該 是 粉 筆 灰 上 升 至 肥 皂 膜 厚 小 於 顆 粒 大 小 處, 因 此 被 擋 下 2. 從 八 馬 拉 高 尼 效 應 中, 我 們 可 觀 察 到 紅 色 染 料 再 上 升 的 過 程 中, 並 非 一 路 上 衝, 而 會 產 生 轉 向 的 現 象, 並 持 續 上 升 有 可 能 上 升 至 一 定 高 度 後, 馬 拉 高 尼 流 轉 向, 導 致 粉 筆 灰 一 同 轉 向 - 18 -
柒 結 論 一 利 用 市 售 玩 具 打 氣 筒 改 裝 成 吹 泡 泡 工 具, 每 次 將 打 氣 筒 壓 到 底 便 可 以 很 穩 定 的 吹 出 直 徑 大 小 六 公 分 的 泡 泡, 而 且 以 市 售 泡 泡 水 : 洗 髮 精 : 沙 拉 脫 =1:1:1 的 比 例 混 合 可 以 吹 出 很 穩 定 的 泡 泡, 可 以 撐 到 秒 鐘 才 破 裂 相 同 大 小 長 時 間 穩 定 的 泡 泡 有 利 我 們 拍 攝 分 析 計 算 二 以 每 秒 30 張 的 高 速 攝 影 機 拍 攝 紀 錄 下 泡 泡 靠 近 的 過 程, 統 計 及 平 均 幾 次 的 實 驗 結 果, 發 現 泡 泡 靠 近 時 會 產 生 加 速 度 互 相 靠 近, 這 代 表 此 時 兩 肥 皂 泡 間, 必 定 有 受 力 三 分 析 了 高 速 攝 影 機 所 拍 攝 下 來 的 照 片, 發 現 當 兩 個 泡 泡 快 要 接 觸 時, 兩 個 泡 泡 內 側 會 因 為 互 相 拉 扯 變 形 成 橢 圓 形, 而 外 側 還 是 保 留 圓 形 這 應 該 是 兩 個 泡 泡 間 的 吸 引 力 所 造 成 的, 而 且 越 靠 近 它 們 之 間 的 吸 引 力 越 大, 所 以 加 速 度 也 越 來 越 快 這 現 象 排 除 了 從 外 側 推 的 力 量 因 素, 所 以 和 外 側 的 大 氣 壓 力 白 努 利 原 理 等 比 較 沒 有 關 係 四 以 前 學 到 水 的 表 面 有 表 面 張 力 的 拉 力 存 在, 當 船 尾 的 肥 皂 溶 水 水 後 表 面 張 力 會 變 小, 船 頭 的 拉 力 大 於 船 尾, 因 此 船 會 向 前 進 但 是 將 肥 皂 水 及 橄 欖 油 滴 到 正 在 靠 近 的 兩 個 泡 泡 之 間, 都 不 會 影 響 它 們 的 靠 近 所 以 它 們 之 間 的 吸 引 力 並 不 是 以 前 學 到 的 單 純 的 表 面 張 力 現 象 所 造 成 的 五 照 片 時, 發 現 兩 個 泡 泡 接 觸 時, 接 觸 點 的 泡 泡 壁 會 上 揚 : 水 對 玻 璃 的 附 著 力 大 於 內 聚 力, 所 以 當 水 裝 於 量 筒 中, 兩 邊 會 吸 附 上 去 玻 璃 管 越 細, 上 升 的 高 度 就 越 高 若 是 兩 泡 泡 靠 近 會 有 加 速 現 象 是 是 因 為 毛 細 現 象, 角 度 越 大, 那 理 論 上 應 該 加 速 現 象 會 越 明 顯 但 從 結 果 我 們 可 以 得 知 在 接 觸 到 斜 面 前, 泡 泡 加 速 現 象 與 角 度 的 關 係 並 非 我 們 預 期 的 角 度 越 大 加 速 度 越 大, 因 此 可 以 排 除 毛 細 現 象 六 在 討 論 探 是 否 是 因 為 肥 皂 分 子 會 向 外 側 擴 散 時, 當 兩 個 肥 皂 泡 泡 向 外 側 擴 散 的 部 分 接 觸 時, 同 性 分 子 間 的 吸 引 力, 使 兩 個 泡 泡 加 速 靠 近 的 問 題 時 將 粉 筆 揮 灑 於 水 面, 可 觀 察 到 若 粉 筆 灰 是 漂 浮 在 水 面 上 時, 靠 近 肥 皂 泡 時, 不 太 容 易 靠 近 肥 皂 泡, 會 在 其 邊 緣 形 成 一 圈 無 法 靠 近 的 範 圍, 這 也 許 可 以 說 明 此 一 範 圍 有 肥 皂 分 子, 導 致 粉 筆 灰 不 易 靠 近 但 這 可 能 是 因 肥 皂 泡 泡 在 水 面 上 接 觸 點 是 向 外 翻 的 弧 面, 類 似 一 斜 面, 導 致 粉 筆 灰 無 法 爬 高 不 易 靠 近, 無 法 明 確 證 實 倒 底 有 沒 有 肥 皂 分 子 擴 散 現 象 因 此 同 性 分 子 間 的 吸 引 力 這 一 項 力 量, 我 們 並 無 法 完 全 排 出 它 導 致 肥 皂 泡 加 速 靠 近 的 可 能 性 七 將 灑 粉 筆 灰 於 水 面 上 後, 可 發 現 少 量 進 入 水 中 的 粉 筆 灰, 會 快 速 向 肥 皂 泡 靠 近 後, 進 入 肥 皂 膜 內 向 上 爬 升 這 可 證 明 有 一 股 力 量, 將 粉 筆 灰 加 速 帶 向 肥 皂 泡 膜 中 查 詢 資 料, 發 現 肥 皂 泡 中 有 一 個 很 有 趣 的 現 象 就 是 馬 拉 高 尼 效 應 (Marangoni Effect), 會 致 液 - 19 -
體 從 肥 皂 膜 厚 的 區 域 流 向 肥 皂 膜 薄 的 區 域, 此 一 流 動 結 果 稱 為 馬 拉 高 尼 流 我 們 將 水 槽 中 的 水 染 成 紅 色 後, 再 將 肥 皂 泡 吹 於 水 面, 水 槽 中 的 紅 色 染 料, 由 底 部 迅 速 上 升 至 頂 部 這 可 以 證 明 確 實 在 肥 皂 泡 中, 有 馬 拉 高 尼 流 的 存 在 這 個 因 素 應 該 就 是 導 致 兩 肥 皂 泡 在 接 近 時, 能 夠 加 速 靠 近 的 主 因 - 20 -
捌 參 考 資 料 及 其 他 一 高 中 物 理 學 科 中 心 http://physical.tcfsh.tc.edu.tw/physical/index.html 二 高 瞻 自 然 科 學 教 學 資 源 平 台 毛 細 現 象 http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=1522 三 維 基 百 科 毛 細 現 象 http:// zh.wikipedia.org/wiki/%e6%af%9b%e7%bb%86%e7%8e%b0%e8%b1%a1 四 科 學 月 刊 從 日 常 生 活 看 分 子 間 的 作 用 力 http://210.60.226.25/science/content/1986/00050197/0011.htm 五 褚 德 三 教 授 主 編, 物 質 科 學 物 理 篇 ( 下 ) 龍 騰 出 版 社,2006 年 8 月 六 邵 國 志, 肥 皂 船 - 表 面 張 力 的 探 討, 屏 東 教 育 大 學 科 學 教 育 2011,33,17-26 七 傅 宗 政 陳 正 平, 冒 泡 的 美, 科 學 發 展 月 刊,29 卷, 第 11 期,788-21 -