中 華 民 國 第 51 屆 中 小 學 科 學 展 覽 會 作 品 說 明 書 國 中 組 地 球 科 學 科 030506 大 氣 怎 麼 流, 泡 泡 來 解 說 學 校 名 稱 : 雲 林 縣 私 立 永 年 高 級 中 學 ( 附 設 國 中 ) 作 者 : 指 導 老 師 : 國 一 陳 矩 翰 國 二 李 建 毅 陳 尚 民 吳 文 龍 國 二 許 翔 鈞 關 鍵 詞 : 大 氣 環 流 (Atmospheric circulation) 北 極 震 盪 (Artic Oscillation) 泡 泡 (Bubble)
大 氣 怎 麼 流, 泡 泡 來 解 說 運 用 肥 皂 泡 泡 模 擬 大 氣 環 流 (Atmospheric circulation) 與 北 極 震 盪 (Arctic Oscillation) 情 形 摘 要 本 研 究 主 要 為 下 列 幾 點 : 一 泡 泡 (Bubble) 配 方 若 加 入 起 泡 劑 薄 膜 劑 與 保 濕 劑 有 效 延 長 泡 泡 壽 命 二 透 過 肥 皂 泡 沫 虹 彩 紋 路 觀 察, 有 助 於 了 解 大 氣 環 流 (Atmospheric circulation) 三 泡 泡 若 不 受 側 壁 阻 擋, 會 產 生 紊 流 (Turbulent flow) 造 成 單 氣 旋 (Cyclon) 四 肥 皂 泡 沫 升 溫 或 降 溫, 可 用 來 解 釋 北 極 震 盪 (Arctic Oscillation) 正 相 位 與 負 相 位 原 因 五 觀 察 泡 泡 上 的 顏 色 變 化, 主 要 是 黃 藍 是 其 常 出 現 的 顏 色, 之 後 變 白 破 裂 壹 研 究 動 機 近 年 來 地 球 氣 候 異 常, 歐 洲 英 國 亞 洲 中 國 南 韓 接 陸 續 創 下 幾 十 來 來 的 低 溫 紀 錄, 導 致 原 因 皆 指 向 大 氣 的 自 然 現 象 北 極 震 盪 (Arctic Oscillation), 因 此 本 研 究 利 用 泡 泡 的 虹 彩 流 動, 解 釋 大 氣 環 流 北 極 震 盪 (Arctic Oscillation) 如 何 造 成 氣 候 異 常 貳 研 究 目 的 本 研 究 目 的 分 為 下 列 幾 點 : 一 了 解 大 氣 環 流 (Atmospheric circulation) 所 造 成 的 自 然 現 象 二 實 驗 大 氣 環 流 與 泡 泡 虹 彩 流 動 的 相 關 性 三 實 驗 泡 泡 內 溫 度 變 化 造 成 虹 彩 流 動 的 關 聯 性 四 增 進 同 學 對 大 氣 環 流 (Atmospheric circulation) 的 了 解 及 激 發 研 究 之 精 神 1
參 研 究 設 備 及 器 材 表 一 研 究 設 備 及 其 用 途 編 號 物 品 數 量 用 途 一 筆 記 本 筆 1 本 2 支 實 驗 日 記, 紀 錄 觀 察 結 果 二 數 位 相 機 2 台 拍 攝 實 驗 過 程 三 電 子 式 加 熱 器 1 台 控 制 泡 泡 溫 度 四 冰 塊 數 包 控 制 泡 泡 溫 度 五 吸 管 數 根 吹 泡 泡 工 具 六 燒 杯 10 組 調 製 泡 泡 用 七 洗 衣 粉 1 包 製 作 泡 泡 八 洗 碗 精 1 罐 製 作 泡 泡 九 蜂 蜜 1 罐 製 作 泡 泡 十 甘 油 1 罐 製 作 泡 泡 十 一 沙 拉 油 1 瓶 模 擬 氣 流 十 二 白 糖 1 包 顏 色 影 響 十 三 茶 葉 1 罐 顏 色 影 響 十 四 肥 皂 絲 1 包 實 驗 空 間 十 五 蒸 餾 水 (1 公 升 ) 1 罐 計 時 十 六 太 白 粉 1 包 控 制 燈 泡 時 間 十 七 玻 璃 板 1 塊 地 表 性 質 實 驗 十 八 鍋 子 一 個 濕 度 調 整 十 九 手 套 數 只 實 驗 用 二 十 碼 表 數 個 計 時 器 2
肆 研 究 過 程 一 研 究 流 程 圖 選 定 題 目 : 大 氣 怎 麼 流, 泡 泡 來 解 說 文 獻 蒐 集 整 理 泡 泡 製 作 利 用 各 種 配 方 調 製 討 論 修 正 選 擇 最 佳 泡 泡 容 器 形 狀 測 試 環 流 實 驗 降 溫 實 驗 升 溫 實 驗 實 驗 結 果 與 問 題 討 論 結 論 3
二 文 獻 蒐 集 ( 一 ) 泡 泡 膜 虹 彩 色 的 成 因 泡 泡 膜 的 顏 色 五 彩 繽 紛, 主 要 是 因 為 光 線 進 入 泡 泡 膜 產 生 反 射 (Reflection) Reflection 折 射 以 及 干 涉 的 結 果 泡 泡 膜 相 當 的 薄, 但 是 我 們 把 泡 泡 膜 放 大 後, 會 發 現 光 線 在 進 入 泡 泡 的 時 候, 膜 的 最 外 層 會 先 反 射 部 分 入 射 光 第 一 次 反 射, 而 部 分 的 光 進 入 泡 泡 膜 之 後, 先 產 生 折 射 ( 光 由 空 氣 進 入 泡 泡 ), 接 著 在 遇 到 泡 泡 膜 的 內 層 時, 會 再 一 次 反 射 第 二 次 反 射 二 次 反 射 的 光 重 疊 後, 就 會 產 生 干 涉, 不 同 的 干 涉 結 果 就 產 生 不 同 顏 色 的 光 了, 而 且 只 要 泡 泡 膜 的 厚 度 有 微 小 的 變 化, 光 的 顏 色 就 會 跟 著 變 化 由 於 泡 泡 膜 厚 度 並 不 完 全 均 勻, 而 且 水 分 會 一 直 蒸 發, 所 以 我 們 可 以 看 到 泡 泡 的 顏 色 五 彩 繽 紛, 而 且 一 直 在 變 化 薄 膜 的 厚 度 一 直 在 改 變 圖 一 肥 皂 膜 顏 色 呈 現 原 理 ( 二 ) 泡 泡 膜 虹 彩 計 算 方 式 泡 泡 膜 形 成 的 顏 色 與 其 厚 度 有 關, 右 圖 是 入 射 光 遇 到 泡 泡 膜 時, 約 反 射 4% 的 光 (B1C1 進 入 泡 泡 膜, 產 生 折 射 (B1D1) 折 射 光 經 反 射 形 成 的 B2C2 光 與 B1C1 產 生 干 涉, 就 形 成 了 我 們 所 看 到 的 泡 泡 膜 顏 色 計 算 公 式 如 下 : T= λ/(2π. µcosθ)sin-1 (Ι/Ιo) t: 薄 膜 厚 度 θ: 折 射 角 λ: 光 的 波 長 Ι: 反 射 光 強 度 μ: 薄 膜 折 射 率 Ιo: 干 涉 光 強 度 圖 二 泡 泡 膜 虹 彩 計 算 方 式 圖 4
表 二 泡 泡 膜 厚 度 與 干 涉 形 成 的 光 顏 色 對 照 表 ( 單 位 :Å) 一 級 厚 度 四 級 厚 度 黑 色 60,120 草 綠 色 5970 粉 紅 色 2010 綠 色 6340 二 級 厚 度 黃 綠 色 6820 紫 羅 蘭 色 2160 洋 紅 色 7460 藍 色 2500 五 級 厚 度 綠 色 2900 綠 色 7900 黃 色 3220 綠 色 8420 橘 色 3480 粉 紅 色 8930 深 紅 色 3710 粉 紅 色 9450 三 級 厚 度 六 級 厚 度 紫 色 3960 綠 色 10000 藍 色 4100 綠 色 10440 祖 母 綠 4660 粉 紅 色 11000 黃 綠 色 5020 粉 紅 色 11500 洋 紅 色 5420 藍 紅 色 5780 註 :1. Å= 10-8 cm; 2. 級 數 代 表 光 在 泡 泡 膜 內 的 反 射 次 數 近 期 發 表 的 Physical Review Letters 中, 法 國 Kellay 帶 領 的 研 究 小 組 成 功 地 利 用 熱 對 流, 在 肥 皂 泡 泡 上 發 展 出 單 一 氣 旋 他 們 用 吸 管 吹 出 一 個 直 徑 約 十 公 分 的 半 球 形 肥 皂 泡 泡, 從 底 部 加 熱, 藉 由 溫 度 梯 度 的 差 異, 使 得 較 溫 暖 的 肥 皂 溶 液 往 上 跑, 形 成 對 流 旋 渦 本 研 究 參 考 Kellay 方 式 針 對 泡 泡 作 一 連 串 實 驗, 藉 由 觀 察 大 氣 的 流 動, 以 下 為 泡 泡 製 作 過 程 三 泡 泡 製 作 方 法 多 方 參 考 各 家 製 作 方 式, 本 研 究 以 洗 衣 精 甘 油 蜂 蜜 白 糖 沙 拉 油 茶 葉 太 白 粉 肥 皂 絲 為 材 料, 皆 用 蒸 餾 水 混 合 調 配, 選 出 較 適 合 之 肥 皂 泡 泡 5
( 一 ) 洗 衣 精 配 置 法 以 500ml 燒 杯, 蒸 餾 水 : 洗 衣 精 =3:1 方 式 製 作, 測 試 泡 泡 在 玻 璃 板 持 續 時 間, 如 圖 所 示 : 圖 三 洗 衣 精 配 置 法 ( 二 ) 洗 衣 精 甘 油 配 法 以 500ml 燒 杯, 蒸 餾 水 : 洗 衣 精 甘 油 =3: 1: 1 方 式 製 作, 測 試 泡 泡 在 玻 璃 板 持 續 時 間, 如 圖 所 示 : 圖 四 洗 衣 精 甘 油 配 置 法 6
( 三 ) 洗 衣 精 蜂 蜜 配 法 以 500ml 燒 杯, 蒸 餾 水 : 洗 衣 精 蜂 蜜 =3: 1: 1 方 式 製 作, 測 試 泡 泡 在 玻 璃 板 持 續 時 間, 如 圖 所 示 : 圖 五 洗 衣 精 蜂 蜜 配 法 ( 四 ) 洗 衣 精 蜂 蜜 甘 油 配 法 以 500ml 燒 杯, 蒸 餾 水 : 洗 衣 精 蜂 蜜 甘 油 =3:1:1:1 方 式 製 作, 測 試 泡 泡 在 玻 璃 板 持 續 時 間, 如 圖 所 示 : 圖 六 洗 衣 精 蜂 蜜 甘 油 配 法 7
( 五 ) 洗 衣 精 蜂 蜜 甘 油 肥 皂 絲 配 法 以 500ml 燒 杯, 蒸 餾 水 : 洗 衣 精 蜂 蜜 甘 油 =3:1:1:1: 1 方 式 製 作, 測 試 泡 泡 在 玻 璃 板 持 續 時 間, 如 圖 所 示 : 圖 七 洗 衣 精 蜂 蜜 甘 油 肥 皂 絲 配 法 ( 六 ) 沙 拉 脫 方 糖 甘 油 配 法 以 500ml 燒 杯, 蒸 餾 水 : 沙 拉 脫 : 方 糖 : 甘 油 =3:1:1:1 方 式 製 作, 測 試 泡 泡 在 玻 璃 板 持 續 時 間, 如 圖 所 示 : 圖 八 沙 拉 脫 方 糖 甘 油 配 法 8
( 七 ) 肥 皂 絲 太 白 粉 蜂 蜜 甘 油 配 法 以 500ml 燒 杯, 蒸 餾 水 : 肥 皂 絲 : 太 白 粉 : 蜂 蜜 : 甘 油 =3: 1:1:1:1 方 式 製 作, 測 試 泡 泡 在 玻 璃 板 持 續 時 間, 如 圖 所 示 : 圖 九 肥 皂 絲 太 白 粉 蜂 蜜 甘 油 配 法 ( 八 ) 茶 葉 方 糖 甘 油 沙 拉 脫 配 法 以 500ml 燒 杯, 蒸 餾 水 : 茶 葉 : 方 糖 : 甘 油 : 沙 拉 脫 =3:1:1:1: 1 方 式 製 作, 測 試 泡 泡 在 玻 璃 板 持 續 時 間, 如 圖 所 示 : 圖 十 茶 葉 方 糖 甘 油 沙 拉 脫 配 法 9
四 泡 泡 置 入 容 器 形 狀 測 試 作 過 程 將 肥 皂 泡 泡 置 於 不 同 容 器 內 觀 察, 泡 泡 虹 彩 移 動 有 顯 著 不 同, 以 下 為 實 驗 操 有 側 壁 的 容 器 無 側 壁 的 玻 璃 板 圖 十 一 泡 泡 置 入 容 器 形 狀 測 試 五 升 溫 實 驗 將 肥 皂 泡 泡 放 置 在 加 熱 器 上, 慢 慢 調 高 溫 度 使 其 泡 泡 內 部 溫 度 升 高, 再 觀 察 泡 泡 虹 彩 移 動 路 徑 使 用 加 熱 器 觀 察 泡 泡 紋 路 圖 十 二 升 溫 實 驗 10
六 降 溫 實 驗 將 肥 皂 泡 泡 放 入 冰 塊, 慢 慢 調 降 溫 度 使 其 泡 泡 內 部 溫 度 下 降, 再 觀 察 泡 泡 虹 彩 移 動 路 徑 放 置 冰 塊 觀 察 虹 彩 流 動 情 形 圖 十 三 降 溫 實 驗 七 實 驗 容 器 設 計 ( 攜 帶 式 ) ( 一 ) 容 器 外 殼 設 計 以 透 明 壓 克 力 為 原 料, 製 作 60 60cm 的 立 體 方 型 外 殼, 頂 部 設 計 蓋 子, 方 便 掀 開 觀 察, 將 60cm 分 成 三 段, 安 裝 三 個 小 風 扇, 上 下 風 扇 安 裝 同 側, 而 中 間 風 扇 則 安 裝 在 另 一 側, 藉 此 模 擬 外 部 大 氣 環 流 ( 三 胞 環 流 ), 東 北 信 風 西 風 與 極 地 東 風 圖 十 四 大 氣 環 流 圖 ( 二 ) 隔 板 設 計 以 30 30cm 金 屬 圓 盤 作 隔 板, 方 便 製 冷 晶 片 溫 控, 底 部 銜 接 鋁 鰭 與 晶 片, 金 屬 圓 盤 作 為 泡 泡 底 座 圖 十 五 金 屬 圓 盤 底 座 11
( 三 ) 溫 控 核 心 以 5 5cm 的 製 冷 晶 片 做 溫 控 核 心, 晶 片 的 名 稱 相 當 多, 如 thermoelectric cooler thermoelectric module ( 簡 稱 T.E 或 T.E.C) 主 要 為 碲 化 鉍 (Bismuth Telluride), 下 圖 是 一 個 致 冷 器 的 典 型 結 構, 由 許 多 N 型 和 P 型 半 極 體 之 顆 粒 互 相 排 列 而 成, 而 N P 之 間 以 一 般 的 導 體 相 連 接 而 成 一 完 整 線 路, 通 常 是 銅 鋁 或 其 他 金 屬 導 體, 最 後 上 下 再 覆 蓋 陶 瓷 片 致 冷 晶 片 原 理 為 N 型 半 導 體 材 料 具 有 多 餘 電 子, 故 有 負 溫 差 電 動 勢 ; P 型 半 導 體 材 料 因 電 子 不 足, 故 有 正 溫 差 電 動 勢, 可 傳 遞 電 荷 與 熱 能, 將 P 型 與 N 型 半 導 體 依 序 結 合, 可 將 熱 能 和 電 能 相 互 轉 換, 稱 為 熱 電 效 應 (Thermoelectric Phenomenon) 主 要 效 應 分 為 : 圖 十 六 致 冷 晶 片 內 部 構 造 (a) 席 貝 克 效 應 (Seebeck Effect) 1821 年 Thomas J. Seebeck 發 現 當 兩 種 不 同 性 質 的 金 屬 連 接 在 一 起 而 形 成 閉 合 迴 路 (closed loop), 當 兩 接 點 之 間 溫 度 分 佈 不 均 勻 時, 則 在 此 迴 路 中 將 產 生 感 應 電 動 勢, 而 使 兩 接 點 之 間 產 生 電 位 差, 則 成 為 席 貝 克 效 應 (Seabeck effect) 圖 十 七 Seebeck 效 應 示 意 圖 (b) 皮 爾 特 效 應 ( Peltier effect) 1834 年 皮 爾 特 發 現, 電 流 通 過 兩 種 不 同 的 金 屬 導 線 之 接 合 點 時, 在 接 合 點 處 會 因 電 流 流 動 方 向 之 不 同 而 產 生 放 熱 或 吸 熱 之 現 象, 謂 之 為 皮 爾 特 效 應 圖 十 八 Peltier 效 應 示 意 圖 12
( 四 ) 電 源 供 應 器 以 舊 電 腦 報 廢 之 電 源 供 應 器 (250w,12v) 轉 換, 將 交 流 電 轉 成 直 流 電, 穩 定 輸 出 12v, 在 以 簡 易 switch 切 換 直 流 電 的 電 流 方 向, 即 可 將 熱 面 轉 換 成 冷 面, 方 便 升 降 溫 圖 十 九 實 驗 容 器 設 計 圖 圖 二 十 實 驗 容 器 實 體 圖 13
伍 研 究 結 果 一 泡 泡 虹 彩 變 化 過 程 泡 泡 顏 色 變 動 方 式, 觀 察 數 次 泡 泡 形 成 後 顏 色 的 變 化, 發 覺 剛 形 成 的 肥 皂 泡 泡, 虹 彩 紋 路 不 明 顯, 等 到 快 破 之 前, 泡 泡 頂 部 變 成 透 明, 邊 緣 到 底 部 出 現 明 顯 虹 彩, 對 照 泡 泡 薄 膜 厚 度 顏 色, 可 得 知 頂 部 變 薄, 而 側 邊 變 厚, 推 測 因 地 心 引 力, 造 成 泡 泡 厚 度 往 側 邊 與 底 部 集 中, 導 致 頂 部 過 薄 而 破 裂 二 泡 泡 製 作 成 份 分 析 實 驗 結 果 呈 現 洗 衣 精 蜂 蜜 甘 油 配 法 泡 泡 支 撐 時 間 最 久, 在 研 究 過 程 發 現 加 入 隔 夜 的 茶 葉 水, 泡 泡 虹 彩 顏 色 會 更 鮮 明, 因 此 實 驗 配 方 以 洗 衣 精 蜂 蜜 甘 油 配 法 加 上 隔 夜 茶 葉 水 作 測 試 本 研 究 實 驗 多 種 泡 泡 配 方 結 果 如 下 : 表 三 泡 泡 配 方 支 撐 時 間 調 配 成 份 支 撐 時 間 調 配 成 份 支 撐 時 間 1. 洗 衣 精 配 置 法 1'32" 5. 洗 衣 精 蜂 蜜 甘 油 肥 皂 絲 配 法 1'50" 2. 洗 衣 精 甘 油 配 法 1'47" 6. 沙 拉 脫 方 糖 甘 油 配 法 1'54" 3. 洗 衣 精 蜂 蜜 配 法 2'00" 7. 肥 皂 絲 太 白 粉 蜂 蜜 甘 油 配 法 1'37" 4. 洗 衣 精 蜂 蜜 甘 油 配 法 2'25" 8. 茶 葉 方 糖 甘 油 沙 拉 脫 1'47" 14
圖 二 十 一 泡 泡 配 方 支 撐 時 間 柱 狀 圖 三 泡 泡 置 入 容 器 結 果 本 研 究 結 果 顯 示, 若 以 有 邊 緣 容 器 作 測 試, 泡 泡 虹 彩 並 無 出 現 單 氣 旋 形 狀, 去 除 邊 壁 以 加 熱 器 或 玻 璃 板 作 實 驗, 肥 皂 泡 沫 則 出 現 單 氣 旋 圖 二 十 二 泡 泡 置 入 容 器 實 驗 四 升 溫 實 驗 結 果 率 愈 快 結 果 顯 示 升 溫 過 程 中, 氣 旋 會 快 速 形 成, 之 後 移 動 到 側 邊, 溫 度 愈 高 移 動 速 15
圖 二 十 三 升 溫 實 驗 結 果 五 降 溫 實 驗 將 冰 塊 置 入 後, 泡 泡 虹 彩 皆 集 中 在 側 壁, 頂 部 虹 彩 量 明 顯 減 少, 與 加 熱 時 現 象 差 異 甚 大 圖 二 十 四 降 溫 實 驗 結 果 六 外 圍 環 流 模 擬 實 驗 運 用 三 個 小 風 扇, 製 造 三 胞 環 流 效 應, 計 此 觀 察 西 風 與 東 風 間 的 相 對 關 係, 結 果 顯 示 兩 者 存 在 負 相 關 16
圖 二 十 五 三 胞 環 流 實 驗 陸 討 論 一 肥 皂 泡 泡 流 動 與 大 氣 環 流 的 對 比 本 研 究 發 現 肥 皂 泡 泡 可 解 釋 北 極 震 盪 (Arctic oscillation, AO) 所 發 生 的 因 素, 所 謂 北 極 震 盪 (Arctic Oscillation) 是 一 種 自 然 現 象 當 北 極 上 空 有 一 個 低 氣 壓, 氣 流 成 逆 時 針 轉 動, 一 旦 環 流 變 強, 稱 為 正 相 位 ( 暖 相 位 ), 會 讓 北 半 球 溫 度 變 暖, 若 環 流 變 弱, 稱 為 負 相 位 ( 冷 相 位 ) 冷 空 氣 向 外 擴 散, 會 造 成 北 半 球 中 緯 度 特 別 冷 圖 二 十 六 北 極 震 盪 示 意 圖 本 研 究 觀 察 泡 泡 虹 彩 變 化 如 圖 所 示, 當 在 底 部 加 熱 時, 泡 泡 顏 色 變 化 會 從 頂 部 慢 慢 擴 散 到 中 間, 產 生 單 氣 旋 後, 頂 部 顏 色 漸 變 透 明, 泡 泡 隨 即 破 滅 17
泡 泡 頂 部 有 虹 彩 出 現 泡 泡 頂 部 虹 彩 明 顯 擾 動 溫 度 下 降 虹 彩 亦 下 降 圖 二 十 七 泡 泡 虹 彩 變 化 如 圖 圖 二 十 八 泡 泡 虹 彩 變 化 特 寫 泡 泡 底 部 加 熱 時, 象 徵 氣 候 變 暖, 此 時 氣 旋 出 現 在 頂 部, 低 壓 對 流 旺 盛, 使 冷 空 氣 鎖 在 極 區 形 成 一 個 強 大 的 氣 旋, 中 緯 度 則 不 受 影 響 而 形 成 暖 冬, 停 止 加 熱 後, 氣 旋 明 顯 往 中 緯 度 移 動, 而 使 中 緯 度 籠 罩 在 氣 旋 之 下, 造 成 中 緯 度 出 現 低 溫 大 風 雪, 有 如 明 天 過 後 電 影 情 節 二 升 溫 降 溫 實 驗 模 擬 暖 相 位 冷 相 位 ( 一 ) 升 溫 針 對 泡 泡 內 部 溫 度 變 化 設 計, 觀 察 泡 泡 虹 彩 變 化, 將 泡 泡 內 部 升 溫 發 現 與 北 極 震 盪 的 正 相 位 ( 暖 相 位 ) 相 當, 此 時 大 氣 環 流 集 中 在 頂 部, 溫 度 愈 高 頂 部 環 流 愈 明 顯, 直 到 肥 皂 泡 沫 破 裂, 環 流 皆 以 頂 部 附 近 出 現 ( 二 ) 降 溫 18
泡 泡 內 溫 度 下 降, 冷 空 氣 因 較 重 皆 聚 集 在 中 緯 度 為 主, 環 流 亦 下 滑 到 中 緯 度 的 側 壁, 這 種 結 果 會 造 成 中 緯 度 產 生 大 風 雪 或 驟 冷 的 現 象, 與 北 極 震 盪 負 相 位 ( 冷 相 位 ) 的 情 形 類 似, 說 明 冷 空 氣 釋 放 會 造 成 中 緯 度 地 區 的 寒 冬 圖 二 十 九 北 極 震 盪 正 負 相 位 示 意 圖 三 容 器 形 狀 測 試 本 研 究 實 驗 結 果, 發 覺 有 側 壁 的 容 器, 無 法 造 成 單 氣 旋, 而 無 側 壁 的 容 器 則 輕 易 產 生 單 氣 旋, 經 觀 察 得 知, 側 壁 似 乎 會 阻 擋 住 紊 流, 而 無 法 形 成 氣 旋, 反 之 無 側 壁 的 容 器, 並 無 阻 擋 紊 流 形 成, 所 以 可 以 形 成 氣 旋 四 泡 泡 成 份 分 析 本 研 究 發 現 蜂 蜜 與 甘 油 可 以 增 加 泡 沫 的 黏 度, 若 調 製 量 適 中, 可 以 延 長 泡 泡 壽 命, 而 茶 葉 水 成 為 泡 泡 最 佳 的 染 色 劑, 隔 夜 的 茶 葉 水 效 果 會 更 加, 白 糖 亦 可 以 延 長 泡 泡 壽 命, 綜 合 以 上 結 果 可 以 整 理 出 幾 項 原 則 : 19
( 一 ) 起 泡 劑 : 為 一 界 面 活 性 劑, 降 低 水 的 表 面 張 力, 使 得 易 於 起 泡, 此 劑 是 泡 泡 水 調 製 配 方 最 難 之 處, 常 用 的 起 泡 劑 為 陰 離 子 型 非 離 子 型 及 兩 性 甜 菜 鹼 等 ( 二 ) 薄 膜 劑 : 一 般 為 水 溶 性 高 分 子, 幫 助 起 泡, 並 增 強 泡 泡 的 的 強 度, 例 如 甲 基 纖 維 素 水 解 乙 基 纖 維 素 及 其 他 纖 維 素 衍 生 物 明 膠 阿 拉 伯 膠 三 仙 膠 PEG PVA PVP 等, 膠 水 就 是 PVA( 聚 乙 烯 醇 ) ( 三 ) 保 濕 劑 : 泡 泡 成 形 後, 由 於 水 的 蒸 發, 泡 泡 膜 乾 掉, 泡 泡 也 就 破 掉, 此 保 濕 劑 就 是 要 保 住 水 分, 延 長 水 分 蒸 發, 使 泡 泡 漂 浮 於 空 中 久 一 些, 常 用 的 保 濕 劑 有 甘 油 白 糖, 尿 素 等 五 圓 形 泡 泡 的 色 彩 變 化 數 據 : 表 四 圓 形 泡 泡 的 色 彩 變 化 次 數 色 彩 變 化 1 N R Y G B P R Y G B P M W 2 N G R Y G B P M B P 3 N R G B P M P M 4 N R Y B P W 5 N R Y B P R Y W K N: 透 明,R: 紅 色,Y: 黃 色,G: 綠 色, B: 藍 色,P: 紫 色,W: 白 色,K: 黑 色 肥 皂 泡 膜 的 顏 色 變 化 主 要 是 黃 藍 是 其 常 出 現 的 顏 色, 而 一 開 始 時 大 部 分 皆 為 透 明, 膜 較 厚, 最 後 可 以 明 顯 看 到 水 因 重 力 而 被 往 下 拉, 膜 變 白 薄 而 破, 則 是 這 裡 面 最 明 顯 的 兩 個 階 段 柒 結 論 一 泡 泡 配 方 若 加 入 起 泡 劑 薄 膜 劑 與 保 濕 劑 有 效 延 長 泡 泡 壽 命 二 透 過 肥 皂 泡 沫 虹 彩 紋 路 觀 察, 有 助 於 了 解 大 氣 環 流 三 泡 泡 若 不 受 側 壁 阻 擋, 會 產 生 紊 流 造 成 單 氣 旋 四 肥 皂 泡 沫 升 溫 或 降 溫, 可 用 來 解 釋 北 極 震 盪 正 相 位 與 負 相 位 原 因 五 觀 察 泡 泡 上 的 顏 色 變 化, 主 要 是 黃 藍 是 其 常 出 現 的 顏 色, 之 後 變 白 破 裂 20
捌 參 考 資 料 及 其 他 壹 中 文 部 分 王 明 星 (1991) 大 氣 科 學, 氣 象 出 版 社, 北 京,416pp. 任 明 道 (1990) 肥 皂 泡 的 成 因 台 灣 商 務 出 版 吳 宜 昭 (2006) 亞 洲 季 風 區 多 重 尺 度 的 交 互 作 用 及 其 對 熱 帶 氣 旋 生 成 的 影 響 國 立 臺 灣 大 學 大 氣 科 學 所 博 士 論 文 歐 陽 鐘 (1972) 從 肥 皂 泡 到 液 晶 生 物 牛 頓 出 版 傅 宗 玫 (1987) 冒 泡 的 美 民 國 76 年 6 月 科 學 發 展 月 刊 第 29 卷 第 11 期 p.788~p.796 鄭 凱 天 (2005) 東 亞 大 氣 年 際 變 化 之 研 究 與 模 擬 國 立 中 央 大 學 大 氣 物 理 研 究 所 碩 士 論 文 蔡 尚 芳 (1998) 表 面 張 力 科 學 教 育 月 刊 第 257 期 貳 網 路 資 源 分 享 ~ 神 奇 泡 泡 水 製 作 方 法 ( 無 日 期 ) 雅 虎 部 落 格 網 2011 年 1 月 21 日, 取 自 : http://tw.myblog.yahoo.com/jw!vjlvob2zba7u.qw4kyfemq--/article?mid 最 好 吹 的 泡 泡 ( 無 日 期 ) 百 度 科 技 網 2011 年 1 月 25 日, 取 自 : http://zhidao.baidu.com/question/89791166 舞 台 上 泡 泡 製 作 ( 無 日 期 ) 愛 魔 術 網 2011 年 1 月 26 日, 取 自 : http://www.aimagic.cn/viewthread-2140 北 極 震 盪 ( 無 日 期 ) 維 基 百 科 網 2011 年 1 月 26 日, 取 自 : http://zh.wikipedia.org/wiki/%e5%8c%97%e6%a5%b5%e6%8c%af%e7%9b%aa 泡 泡 裏 的 行 星 風 暴 (2010,0504) 科 學 影 像 網 2011 年 1 月 28 日, 取 自 : http://scimage-tw.blogspot.com/2010/05/jupiters-storms-modelled-on-soap-bubble.html 21
附 錄 使 用 器 材 種 覽 檢 視 器 材 內 容 調 配 泡 泡 成 份 過 程 加 熱 器 使 用 過 程 搬 離 板 使 用 情 形 泡 泡 成 品 22
評 語 030506 優 點 : 能 找 出 形 成 穩 定 泡 泡 之 配 方 與 條 件 缺 點 : 定 量 實 驗 不 足, 條 列 式 的 摘 要, 不 符 合 一 般 摘 要 的 形 式 建 議 : 應 加 強 對 大 氣 環 流 基 本 特 性 的 了 解, 使 實 驗 符 合 實 際 環 境