物理與化學的交叉點

物理與化學的交叉點

壹、前言

在目前國中自然與生活科技的課程中混雜了生物、物理、化學、生活科技等眾多科目，但許多老師在大學的專業訓練裡卻往往只有一個科目的學習，雖然許多學校還是以分科教學為排課原則，但物理、化學多年來仍是維持一個科目，因此許多物理背景的老師在教授化學；或化學背景的老師教授物理時，或許是因為原本學科的學習屬性，物理學科有較多的原理原則可供遵循，物理老師也習慣有較多的思考實驗(Thought Experiment)，但化學科本身較貼近實證科學(positive science)，因此更強調實驗的方法、過程與結果。再加上不同學科還是有許多細節，若非深入研究很容易落入「只知其然而不知其所以然」的窠臼中，更不用說初學自然科學的學生往往就是一知半解。

在現階段國中教科書很多的實驗中，經常都不會是單一種原理的應用，但礙於課程的順序，很多還沒詳細教授的單元，卻已經在實驗中出現，是否要「話說從頭」就成了許多國中理化老師的兩難，甚至可能連許多老師都無法詳細了解這些原理之間彼此的相關性，使得部分不太正確的觀念反而因此傳遞給學生，這是老師們必須先自我省思之處。

在此筆者舉出八年級兩個類似的例子和大家一同探討。

貳、以物理原理進行化學實驗

八年級上學期的自然科第二章進入物質的分類，早期實驗利用蠟燭在密閉容器中燃燒水位上升來說明空氣只有部分的成分具有助燃性，實驗本身的設計其實問題不大，但卻有少部分的老師將實驗結果直接引入容器進入1/5體積的水，因此空氣成分中含有1/5體積的氧氣。這樣的實驗結果要推論到空氣成分含有約1/5的氧氣其實非常不恰當，首先進入容器中的水無法明確測量體積(蠟燭也占據了一定程度的體積)，再者，以蠟燭的燃燒效率也不容易將容器內部的助燃物消耗殆盡，定量的部分相對就難以測量。

但再回到實驗本身的原理來看，為何容器內部分氣體被消耗掉，水就會進入容器內部？這就必須用壓力的角度來解是比較合適，但壓力單元卻又是下學期的內容。蠟燭燃燒後雖然消耗掉空氣中的助燃物(在此直接先以氧氣來說明)，但同一時間其實也產生了二氧化碳，這些二氧化碳不也佔據了原本被消耗掉的氧氣體積嗎？那產生的二氧化碳體積又有多少？為何水還會進入容器中？這些問題其實還是有必要說明清楚。

有關二氧化碳造成的實驗困擾，後來的教科書已經有改良成利用鋼絲絨的氧化(產生氧化鐵固體，而非二氧化碳)來避免，確實使得二氧化碳的干擾降到最低，但實驗時間卻必須拉長到數天才能明顯觀察出結果，也不太適合在課堂中即時呈現。因此，筆者嘗試改良了實驗的方式，或許仍無法作出精確的定量實驗，但方便在課堂中操作，也可以提供老師另一個教學參考。

教具製作方式如下：

按此看全部

測量地磁

測量地磁

一、前言

話說愛因斯坦小時候曾經收到父親送的一個指北針，在愛因斯坦小小年紀中對這個永遠不會改變方向的小指針留下了深刻的印象，似乎也種下了日後對於科學的好奇心。

這樣簡單的現象對於許多學生來說已經不是什麼了不起的大事，「不就是地球磁場嗎~~，有什麼好稀奇的！」學生這麼回答我，「那你知道地球磁場多大嗎？」我也反問他，這下他可答不出來了，或許這樣的問題對許多國高中生來說的確是個難題，他們可能連磁場的單位都不知道，何況是對地磁大小的概念，但這確實是一個有趣的問題，也許這些資料都可以google得到，但站在科學的立場，我們更希望可以測量出來！

二、磁場與地磁

「磁場」(magnetic field)，簡單的說就是磁力作用的空間。但磁力是一種超距力(非接觸力)，有別於一般的接觸力(如推力、拉力、摩擦力等)，若沒有和施力者接觸，所作用的力就為”0”；超距力不需接觸就可以有力的交互作用，但會隨著和施力者的距離於遞減，因此理論上磁場是不會為”0”的，加上磁場的作用力非直線，而是一個封閉迴路，因此在不同的位置，磁場的方向也不同。

地球本身就好比是一個大磁鐵，產生的磁場就稱為地磁，地磁的方向原則上是從地球南極往地球北極(註1)，雖然磁場不是直線，但因為地球本身的體積夠大，因此在赤道附近的磁場會接近平行，也就是說磁場方向會固定朝向地球的北方，若此時有一個能自由旋轉的磁鐵，N極(指北極)就會順著地磁的方向，這也就是指北針能永遠指向北方的原因。

按此看全部

自製液晶投影機

自製液晶投影機

壹、前言

在現在充滿數位資訊的世代，許多教學也都紛紛向數位化邁進，包括教育政策也都朝向「班班有單搶(液晶投影機)」的目標規劃。因此，已經有不少學校鼓勵老師可以多多利用相關資訊設備來授課(註1)，其實液晶投影設備本身就是一個很有趣的教學素材，尤其在光學的應用上，更容易引起學生的興趣。

筆者曾經利用廢棄的顯微鏡製作幻燈機(註2，圖1)，但「幻燈機」本身對許多孩子來說，不但沒見過，更已經屬於歷史了，因此這樣的例子或許有趣，但卻無法和學生產生太多共鳴。反而是現在常見的液晶投影機，其實基本的成像原理和幻燈機相去不遠，或許更值得我們當作生活化的教學素材喔。

貳、液晶面板的歷史與應用

液晶投影機和幻燈機最大的不同點就在於被投影的物體種類，幻燈機的被投影物是印有靜態圖像的透明片(幻燈片)，而液晶投影機則是可透光的液晶螢幕，兩者最大的差別就在於液晶螢幕可呈現動態的畫面，因此在製作之前有必要對液晶螢幕有簡單的了解，才能在製作上更容易成功。

按此看全部

自製手動水泵

自製手動水泵

一、前言

某次出遊碰巧看見許久不見的手動水泵(圖1)，這也不是第一次見到了，但或許是理化老師的職業病，忽然覺得這樣的先人智慧或許可以在教學上複製，但這樣的水泵完全看不到內部的運作過程，也就心血來潮興起了動手做一個的念頭！

二、手動水泵的汲水原理

一般的手動水泵主要就是利用水泵內部和外部大氣的壓力差，配合單向筏將水擠壓上來，詳細的動作過程如下：

按此看全部

利用點滴包的壓力教具

利用點滴包的壓力教具

一、前言

「壓力」(Pressure)，在國中的教材編寫中通常都會放在「力」(Force)的單元，和摩擦力(Frictional force )、浮力(Buoyancy)、推力、拉力等放在一起討論，但實際上「壓力」和「力」卻是兩種完全不同的物理量，兩者產生的物理現象也不同，但或許是中文翻譯的影響，亦或者是教科書編排的誤導，許多初學的國中生的確會以為壓力就是力的另一種型式，這些迷思概念不但困擾了許多學生，也讓老師們在解釋時必須花上更多的心力。在對岸的大陸就將Pressure翻譯為「壓強」，好不好或許見仁見智，但在名詞上也許可以讓學生少一點誤解。

二、單位決定了物理量的種類

一般說來，我們可以從單位來區分某些效應是否為相同的物理量。力常用的公制單位(mks制)為公斤重(kgw)；國際單位(The International System of Units；簡稱S.I. unit)為牛頓(N)，而壓力的公制單位為公斤重/平方公尺(kgw/m²)；國際單位為牛頓/平方公尺(N/m²)也稱作帕斯卡(或簡稱”帕”，Pa)。因此很明確的，力和壓力應該屬於不同的物理量，舉一個簡單的例子；當我們利用兩手夾住一支鉛筆時(圖1)，在鉛筆不動的情況下，兩手所施的力大小相同，方向相反，但很明顯的筆尖處的手皮膚陷入的深度比另一端來得多(圖2、3)，這個現象就無法單純用力來描述(因為此時左右手的施力相同)，用壓力來描述就會合適許多...
按此看全部