2016 全 國 科 學 探 究 競 賽 - 這 樣 教 我 就 懂 教 師 組 教 學 教 案 表 單 教 案 設 計 者 : 林 立 平 課 程 領 域 : 物 理 化 學 天 文 生 物 地 球 科 學 環 境 科 學 生 活 科 技 其 他 教 案 名 稱 : 生 活 中 的 成 核 作 用 授 課 時 數 : 2 小 時 教 案 設 計 理 念 與 動 機 : 成 核 作 用 對 於 一 般 人 是 個 陌 生 的 名 詞, 但 其 實 在 生 活 中 很 多 現 象 皆 與 成 核 作 用 有 所 關 連, 藉 由 生 活 中 常 見 的 事 物, 像 是 汽 水 會 冒 泡, 杯 蓋 上 有 水 滴 附 著, 到 大 家 都 愛 吃 的 冰 淇 淋 ; 在 實 驗 中 改 變 發 生 條 件, 並 比 較 成 核 作 用 會 影 響 的 因 素 利 用 實 際 操 作, 請 學 生 觀 察 並 比 較 差 異, 引 導 學 生 探 討 可 能 的 因 素, 藉 由 大 家 曾 有 的 經 驗 分 享, 提 出 各 自 的 觀 點 及 推 測 原 因, 之 後 帶 入 較 深 入 的 原 理, 同 時 思 考 該 原 理 在 日 常 生 活 中 可 以 如 何 應 用 科 學 在 生 活 中 處 處 可 及, 由 學 生 有 興 趣 的 項 目 出 發, 並 讓 他 們 觀 察 體 驗, 使 學 生 印 象 深 刻 且 能 延 伸 應 用, 讓 科 學 更 普 及 於 日 常 之 中 教 學 目 標 : 1. 能 說 出 什 麼 是 成 核 作 用 2. 能 舉 出 常 見 的 核 化 作 用 實 例 3. 能 判 別 影 響 核 化 作 用 的 不 同 因 素 4. 能 將 核 化 作 用 之 概 念 融 入 生 活 之 中 教 育 對 象 : 高 中 一 年 級 1
課 程 內 容 ( 方 法 與 步 驟 ): 課 程 分 三 個 部 分 探 討, 沒 有 一 定 的 先 後 順 序, 可 視 情 況 調 整, 但 若 希 望 在 兩 小 時 內 完 成, 建 議 先 準 備 冰 淇 淋 的 材 料, 將 靜 置 冷 卻 部 分 先 行 操 作, 待 課 程 最 後 再 進 行 討 論 壹 冷 卻 速 度 對 固 體 結 晶 形 成 之 影 響 此 部 分 藉 由 相 同 的 液 體 材 料, 分 別 經 由 三 種 不 同 的 速 度 降 溫 冷 卻, 比 較 結 晶 差 異 材 料 選 擇 為 冰 淇 淋, 除 了 材 料 容 易 取 得, 學 生 的 興 趣 較 高, 同 時 可 以 藉 由 品 嘗 的 方 式 比 較 結 晶 的 差 異, 進 一 步 與 火 成 岩 的 形 成 方 式 連 結, 了 解 火 山 岩 與 深 成 岩 之 差 別 所 需 材 料 : 牛 奶 鮮 奶 油 糖 調 味 劑 冰 食 鹽 液 態 氮 湯 匙 鍋 具 一 準 備 冰 淇 淋 原 料 將 牛 奶 鮮 奶 油 糖 調 味 劑 依 喜 好 混 合, 本 課 程 中 依 重 量 比 約 為 4:2:1 及 適 量 香 草 精 或 巧 克 力 調 味, 取 兩 個 相 同 大 小 的 容 器, 盛 裝 約 100ml 的 混 合 液, 其 餘 留 於 原 本 的 鍋 內 即 可 二 分 三 種 方 式 降 溫 準 備 一 大 盆, 依 3:1 的 比 例 將 碎 冰 與 食 鹽 作 為 冰 浴 使 用, 此 時 請 學 生 利 用 溫 度 計 進 行 量 測, 確 定 溫 度 低 於 攝 氏 零 下 10 度, 較 佳 的 情 況 可 達 攝 氏 負 15 度 左 右 ; 將 第 一 步 驟 中 分 裝 好 的 兩 容 器 放 入 冰 浴 盆 中 ( 圖 1), 其 中 一 杯 靜 置 不 動, 另 一 杯 適 時 攪 拌, 當 容 器 邊 緣 有 凝 結 固 體 時, 將 其 刮 起 並 與 其 餘 溶 液 均 勻 混 合 剩 餘 鍋 中 的 混 合 液 利 用 液 態 氮 進 行 降 溫, 同 時 快 速 混 合 攪 拌, 過 程 中 須 注 意 鍋 子 溫 度 可 能 過 低 導 致 手 凍 傷, 建 議 分 次 緩 慢 加 入 液 態 氮, 或 配 戴 手 套 進 行 三 比 較 結 晶 差 異 比 較 三 種 不 同 冷 卻 速 度 得 到 的 結 晶 結 果 ( 圖 2), 並 將 觀 察 到 的 內 容 填 入 表 格 中 結 晶 大 小 方 面, 可 利 用 湯 匙 刮 過 比 較 觸 感, 另 外 從 口 感, 以 及 放 入 口 中 融 化 速 度 比 較, 冷 卻 過 程 中 靜 置 的 那 一 組, 觸 感 上 較 硬 且 吃 起 來 有 顆 粒 感 ; 而 液 態 氮 冷 卻 2
組 的 融 化 速 度 最 快, 且 口 感 較 為 綿 密 ; 依 此, 可 得 到 冷 卻 速 度 與 結 晶 大 小 之 關 係, 當 冷 卻 速 度 越 快, 結 晶 越 小, 反 之 結 晶 越 大 四 火 成 岩 的 觀 察 比 較 請 學 生 觀 察 常 見 之 火 成 岩, 本 課 程 中 選 擇 玄 武 岩 浮 石 安 山 岩 及 花 岡 岩 進 行 比 較 ( 圖 3), 首 先 舉 出 各 石 頭 的 特 徵, 像 是 玄 武 岩 表 面 較 光 滑 無 結 晶, 浮 石 重 量 輕 且 有 大 量 孔 洞, 安 山 岩 有 細 小 結 晶, 而 花 岡 岩 有 明 顯 結 晶 且 排 列 緊 密 配 合 地 科 岩 石 介 紹 的 課 程 內 容, 學 生 將 石 頭 種 類 與 實 驗 結 果 進 行 結 合, 玄 武 岩 及 浮 石 為 由 岩 漿 快 速 冷 卻 之 岩 石, 並 無 結 晶 且 有 氣 孔, 而 安 山 岩 中 有 細 小 結 晶 次 之, 花 岡 岩 為 深 成 岩, 冷 卻 速 度 慢, 故 結 晶 明 顯 大 顆 ; 其 結 果 與 前 面 進 行 之 實 驗 與 操 作 條 件 結 果 吻 合 圖 1 冰 浴 降 溫 與 溫 度 量 測, 盆 中 為 兩 杯 樣 品 貳 粒 子 影 響 水 滴 凝 結 圖 2 完 成 冷 卻 後 之 結 果, 左 方 為 液 態 氮 冷 卻 之 過 程 圖 3 岩 石 標 本 進 行 比 較 此 部 分 進 行 水 氣 凝 結 成 水 滴 的 實 驗, 比 較 粒 子 的 存 在 如 何 影 響 水 氣 凝 結 所 需 材 料 : 燒 杯 兩 個 表 玻 璃 兩 個 熱 水 少 量 食 鹽 一 實 驗 操 作 進 行 實 驗 前, 表 玻 璃 需 完 全 清 潔 且 擦 拭 乾 淨, 減 少 對 實 驗 的 影 響, 接 著 將 熱 水 等 量 注 入 兩 燒 杯 中, 其 中 一 表 玻 璃 上 均 勻 撒 上 少 量 食 鹽, 盡 量 保 持 單 一 顆 鹽 粒 分 布, 約 20~30 顆 即 可, 另 一 表 玻 璃 保 持 乾 淨, 兩 者 同 時 覆 蓋 置 燒 杯 上, 等 待 水 滴 凝 結 3
二 結 果 觀 察 與 比 較 仔 細 觀 察 兩 表 玻 璃 上 凝 結 水 滴 之 差 異 ( 圖 4), 無 粒 子 的 地 方 水 滴 均 勻 分 布, 且 大 小 無 明 顯 差 異, 而 有 食 鹽 的 表 玻 璃 上, 可 以 清 楚 觀 察 到, 有 鹽 粒 的 位 置 水 滴 較 大 顆, 且 四 周 並 無 水 滴 附 著, 形 成 一 圈 空 區, 等 待 一 段 時 間, 發 現 水 滴 有 逐 漸 變 大, 有 食 鹽 的 水 滴 明 顯 較 為 大 顆, 且 四 周 仍 維 持 空 的 一 圈 三 雲 的 形 成 與 降 雨 過 程 說 明 雲 體 上 升 絕 熱 冷 卻, 或 不 斷 有 水 氣 輸 入 雲 中, 使 雲 內 的 水 氣 壓 維 持 大 於 雲 滴 的 飽 和 水 氣 壓, 雲 滴 才 能 因 凝 結 而 增 長, 以 下 為 幾 個 重 要 的 內 容 : 1. 僅 由 水 氣 凝 結 成 水 滴, 需 極 高 的 相 對 溼 度 達 高 度 過 飽 和, 自 然 界 中 難 達 到 2. 水 滴 在 純 水 氣 環 境 中 生 成 之 過 程, 為 同 質 成 核 (homogenous nucleation) 3. 實 際 大 氣 中 包 含 許 多 親 水 性 微, 稱 為 凝 結 核 (condensation nuclei), 而 以 微 粒 為 中 心 凝 結 成 雲 ( 水 ) 滴 的 過 程 稱, 為 異 質 成 核 (heterogeneous nucleation) 因 此, 成 核 作 用 ( 水 汽 集 結 成 水 的 作 用 ) 分 成 同 質 成 及 核 異 質 成 核 兩 種 4. 一 般 環 境 中, 常 存 在 凝 結 核, 使 水 氣 易 於 凝 結, 其 過 飽 合 度 通 常 不 >1% (S<1.01) 5. 含 有 親 水 性 材 料 之 水 滴 比 純 水 水 滴 更 能 抓 住 水 分 子, 水 氣 凝 結 到 有 凝 結 核 之 液 滴 表 面 上 成 長 ; 因 此 可 觀 察 到 鹽 水 滴 四 周 無 水 滴 凝 結 6. 雲 滴 如 果 要 長 成 至 可 落 下, 必 須 經 過 長 大 的 過 程 凝 結 核 讓 水 滴 找 到 附 著 的 表 面, 進 而 快 速 成 長 ; 隨 時 間 雲 滴 越 變 越 大, 當 空 氣 的 浮 力 或 上 升 的 氣 流 已 經 無 法 支 撐 雲 滴 的 重 量 時, 開 始 往 下 掉, 藉 由 碰 撞 過 程, 讓 雲 滴 長 的 更 快 更 大, 氣 象 學 家 把 它 稱 為 合 併 過 程 四 生 活 例 子 連 結 應 用 改 變 水 滴 凝 結 的 應 用, 較 多 人 熟 悉 的 應 該 就 屬 於 人 工 增 雨, 根 據 前 面 所 描 述, 雨 滴 需 要 夠 大 顆 較 易 降 至 地 面, 由 實 驗 得 知, 有 親 水 性 材 料 存 在 時, 水 滴 成 4
長 較 快 且 較 大 顆 針 對 人 工 增 雨, 可 以 請 學 生 思 考 兩 個 問 題 : 1. 若 今 天 燒 杯 中 沒 有 水, 或 者 裝 的 為 冷 水, 結 果 是 否 會 相 同 呢? 2. 當 今 天 表 玻 璃 上 撒 滿 了 鹽 粒, 結 果 是 否 會 相 同 呢? 這 邊 藉 由 討 論, 引 導 同 學 得 到 人 工 增 雨 時 的 幾 個 重 要 的 概 念, 當 空 中 水 氣 不 足 時, 進 行 人 工 增 雨 並 無 明 顯 效 用 ; 另 外, 並 非 使 用 越 多 材 料 效 果 越 好, 因 為 水 氣 的 含 量 有 限, 當 給 予 過 多 的 凝 結 核, 可 能 導 致 水 滴 無 法 成 長 至 足 以 落 下 的 大 小, 亦 沒 有 達 增 雨 的 效 果 圖 4 水 滴 凝 結 於 表 玻 璃 上 之 結 果 比 較, 左 邊 有 灑 食 鹽 粒 子 而 右 邊 無, 箭 頭 標 示 處 即 為 有 鹽 粒 存 在 處 參 物 體 性 質 對 氣 泡 形 成 之 影 響 利 用 體 積 相 近 之 物 體 放 置 於 汽 水 中, 觀 察 產 生 氣 泡 速 度 與 量 之 差 異 在 進 行 實 驗 前, 先 請 同 學 回 想, 平 常 喝 汽 水 時, 那 些 情 況 會 發 生 氣 泡 大 量 出 現 的 反 應, 例 如 : 在 倒 入 時 加 入 冰 塊 時 吸 管 插 入 可 看 到 有 許 多 的 氣 泡 附 著 等, 依 此 分 享 並 討 論 原 因 在 此 應 該 可 以 得 到 一 結 果, 當 有 物 體 進 入 時, 因 提 供 的 一 個 不 同 的 介 面 供 氣 泡 形 成, 在 後 續 實 驗 中 可 仔 細 觀 察 當 物 品 落 下 的 過 程 中 與 沉 至 水 底 的 差 異 所 需 材 料 : 透 明 容 器 無 顏 色 汽 水 彈 珠 曼 陀 珠 糖 果 粉 筆 一 表 面 積 的 影 響 5
將 汽 水 倒 入 容 器 中, 同 時 放 進 粉 筆 與 彈 珠, 觀 察 比 較 兩 者 差 異, 在 落 下 過 程 中 皆 產 生 大 量 的 氣 跑, 但 當 落 到 瓶 底 後, 可 以 明 顯 看 到 粉 筆 產 生 的 氣 泡 較 多 且 持 續 ( 圖 5); 再 進 一 步 觀 察, 發 現 粉 筆 並 不 會 溶 解 於 水 中, 且 粉 筆 的 斷 面 上 有 許 多 小 孔 洞, 進 而 推 測 應 該 不 是 因 為 含 有 特 殊 成 粉 影 響 氣 泡 產 生, 而 是 有 許 多 的 接 觸 面 積, 使 得 氣 泡 較 容 易 生 成 二 成 分 的 影 響 將 糖 果 與 曼 陀 珠 同 時 放 入 汽 水 中 觀 察 比 較, 發 現 曼 陀 珠 產 生 的 氣 泡 多 且 持 續, 反 應 較 其 他 的 實 驗 物 都 來 的 激 烈, 此 時 請 同 學 討 論 可 能 的 原 因 除 了 糖 果 表 面 不 光 滑 提 供 較 大 表 面 積 外, 可 撥 放 科 技 大 觀 園 中 的 一 小 段 廣 播 節 目, 藉 由 專 家 得 知, 原 來 曼 陀 珠 中 有 阿 拉 伯 膠 的 成 分, 會 讓 氣 泡 更 容 易 產 生, 此 時 得 知, 成 分 也 會 影 響 氣 泡 形 成 的 速 度 圖 5 汽 水 中 放 入 不 同 物 體 比 較 氣 泡 產 生 量, 由 左 至 右 分 別 為 糖 果 粉 筆 及 彈 珠, 可 看 到 粉 筆 四 周 氣 泡 最 多 糖 果 次 之 而 彈 珠 最 少 三 生 活 中 的 應 用 平 常 喝 汽 水 希 望 其 中 的 氣 泡 越 多 越 好, 藉 此 讓 學 生 討 論, 除 了 馬 上 喝 掉 外, 汽 水 該 怎 麼 喝 才 能 讓 氣 不 要 這 麼 快 跑 掉 呢? 像 是 杯 子 要 洗 乾 淨 不 要 加 冰 塊 不 使 用 吸 管 等 等, 期 待 得 到 學 生 更 多 有 發 想 性 的 答 案 6
肆 成 核 作 用 簡 介 雖 然 成 核 作 用 這 個 名 詞 在 課 程 中 較 少 提 及, 但 在 水 滴 的 凝 結 中 有 用 到 其 概 念, 且 生 活 中 許 多 現 象 皆 有 所 關 聯, 課 程 中 可 以 視 情 況 調 整 須 多 深 入 的 介 紹 成 核 作 用 本 課 程 中 藉 由 現 有 科 普 文 章 ( 參 考 資 料 2) 為 材 料, 讓 學 生 藉 由 閱 讀 討 論 的 方 式 來 與 實 驗 結 果 搭 配, 進 而 得 到 上 述 的 內 容 以 下 擷 取 自 選 用 科 普 文 章 內 容 晶 體 是 粒 子 排 列 非 常 規 則 整 齊 的 固 體, 其 可 利 用 物 質 相 變 的 情 況 下 而 形 成 一 般 認 為 晶 體 從 液 相 或 氣 相 中 的 生 長 會 經 歷 三 個 階 段 :(1) 基 質 (matrix) 達 到 過 飽 和 (supersaturation) 或 過 冷 (supercooling) 階 段 由 於 溫 度 或 濃 度 的 局 部 變 化, 在 此 階 段 粒 子 仍 散 亂 的 排 列 (2) 成 核 (nucleation) 階 段, 形 成 結 晶 微 顆 粒 的 作 用 稱 之 為 成 核 作 用 (3) 生 長 (growth) 階 段, 結 晶 微 顆 粒 的 表 面 逐 漸 沉 積 更 多 的 固 體, 最 後 生 長 成 為 大 型 的 晶 體 顆 粒 在 上 述 的 第 (2) 成 核 階 段, 又 可 再 分 為 均 勻 成 核 作 用 與 不 均 勻 成 核 作 用 均 勻 成 核 作 用 是 指 基 質 體 系 內 的 質 點 同 時 進 入 不 穩 定 狀 態 而 形 成 新 相, 此 類 作 用 過 程 牽 涉 到 粒 子 需 要 移 動 到 正 確 的 位 置 與 方 向 才 能 開 始 發 生 堆 積, 因 此 需 克 服 相 當 大 的 表 面 能 障 礙 才 能 成 核, 即 需 要 相 當 大 的 過 冷 程 度 才 能 成 核 不 均 勻 成 核 作 用 是 指 體 系 中 已 經 存 在 某 種 不 均 勻 性, 例 如 懸 浮 的 雜 質 微 粒, 容 器 壁 上 凹 凸 不 平 等, 它 們 都 有 效 地 降 低 了 表 面 能 成 核 時 的 表 面 能 障 礙, 會 優 先 在 這 些 具 有 不 均 勻 性 的 地 點 形 成 晶 核 參 考 資 料 : 1 雲 雨 霧 的 形 成 - 談 日 常 生 活 中 的 成 核 現 象 科 學 發 展 2004 年 5 月,377 期 2 晶 體 的 生 長 科 學 Online 科 技 部 高 瞻 自 然 科 學 教 學 資 源 平 台 3 懸 浮 微 粒 -- 常 被 忽 略 的 大 氣 成 分 科 學 Online 科 技 部 高 瞻 自 然 科 學 教 學 資 源 平 台 4 雲 物 理 學 王 寶 貫 著,1997 5 人 工 增 雨 Q&A 經 濟 部 水 利 署 防 災 資 訊 服 務 網 6 為 什 麼 曼 陀 珠 丟 到 可 樂 裡 會 爆 炸? 科 技 大 觀 園 : 生 活 才 科 學 ( 太 陽 電 台 FM89.1) 7
配 合 教 案 名 稱 : 水 滴 泡 泡 冰 淇 淋 學 習 單 內 容 : 氣 水 中 加 入 物 體 產 生 氣 泡 實 驗 2016 全 國 科 學 探 究 競 賽 - 這 樣 教 我 就 懂 學 習 單 內 容 汽 水 中 加 入 不 同 東 西, 產 生 的 泡 泡 量 不 同, 彈 珠 和 粉 筆 的 體 積 差 不 多, 觀 察 到 產 生 氣 泡 量 較 多, 可 能 是 因 為 汽 水 中 加 入 不 同 東 西, 產 生 的 泡 泡 量 不 同, 糖 果 和 曼 陀 珠 的 體 積 差 不 多, 觀 察 到 產 生 氣 泡 量 較 多, 可 能 是 因 為 蒸 發 皿 上 水 氣 凝 結 實 驗 在 環 境 中, 水 氣 凝 結 成 水, 需 要 有 較 易 發 生 鹽 粒 四 周 沒 有 小 水 滴 凝 結, 因 為 同 質 / 異 質 核 化 作 用 較 強, 且 鹽 粒 為 好 / 不 好 的 吸 濕 性 物 質, 含 有 鹽 的 水 滴 的 大 小 較 其 它 水 滴 來 的 大 / 小 液 態 混 和 物 冷 卻 實 驗 液 態 混 和 物 冷 卻 速 度 快 慢, 可 能 會 影 響 固 體 的 在 自 然 界 中, 可 以 看 到 有 很 多 不 同 的 火 成 岩, 其 中 觀 察 到 岩, 有 明 顯 大 顆 結 晶 且 無 孔 洞, 推 測 可 能 是 因 為 緣 故 液 態 氮 冰 + 鹽 ( 攪 拌 ) 冰 + 鹽 ( 靜 置 ) 溫 度 冷 卻 速 度 結 晶 大 小 口 感 請 說 明 何 謂 核 化 作 用 日 常 生 活 中 有 什 麼 例 子 呢? 請 結 合 上 述 討 論 出 的 影 響 核 化 因 素 一 同 描 述 8