2017年7月31日 星期一

空氣成分的檢驗

好~~我知道這是一個引起筆戰的討論
但還是和大家分享好了
但我不會加入筆戰

        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。
        但是,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?這就必須採用壓力的角度來解釋比較合適,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。
        有關二氧化碳延伸出來的實驗問題,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)來避免解釋上的困擾,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。
教具設計如下








將衛生紙纏繞在鐵絲上,沾上少許酒精幫助燃燒
點燃衛生紙,等待火焰較小時再迅速蓋上廣口瓶,避免廣口瓶內的空氣熱膨脹使得實驗產生誤差
將注射軟管放入水中,再打開流量控制器,水立刻被吸入廣口瓶中,觀察吸入廣口瓶中的水量
體積約佔廣口瓶的1/5





        在稍微練習過操作技巧後,可以做出非常接近1/5的結果,但產生的二氧化碳跑到哪裡去了?
        根據美國維基百科的資料(註1),在100KPa,25℃時,二氧化碳對水的溶解度約1.45g/L,這又是多大呢?大部分的人其實對這個數字有多大並沒有明確的概念,若將二氧化碳轉化為體積,就比較容易理解了,計算的方式如下:
代入理想氣體方程式:PV=nRT
1*V=1.45/44*0.082*298
V=0.805(L)
        也就是1公升的水,約溶解0.8公升的二氧化碳。
        這樣的溶解度以氣體來說不算小,若以筆者所設計的實驗來說,在容器中利用乙醇來燃燒,反應式如下:C2H5OH+3O2→2CO2+3H2O,假設完全燃燒,且溫度變化不大,依亞佛加厥定律,體積減少約(3−2)/3*0.21=7%,因此容器內部壓力因氣體分子數變小而較外界壓力小,水就會往容器內部流動,一旦水流入容器中,產生的二氧化碳就會溶入水中,我們特別將吸入的水加入廣用試劑,從變色的情況(綠色變為黃色)就可以知道二氧化碳確實有溶入水中,使得水呈現出弱酸性的黃色,理論上有80.5%的二氧化碳溶入水中,依比例來說約有(21%-7%)*0.805=11.27%,加上原本因燃燒所減少的7%,理論上水位約上升容器體積的18.25%,和我們預期的21%仍有約有13.1%的相對誤差(註2)。
        但若將吸入的水改為石灰水,石灰水和二氧化碳會結合成固態的碳酸鈣,所影響的體積就會降低許多。
Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O
若產生1000cm3,1atm,25℃的二氧化碳
代入理想氣體方程式:PV=nRT
二氧化碳莫耳數=(1*1)/(0.082*298)=0.041莫耳
產生的碳酸鈣質量=0.041*100=4.1克,體積=4.1/2.8=1.46cm3
        也就是說,當二氧化碳轉化為碳酸鈣,體積約縮小至原體積的1.46/1000=0.146%,理論上水位會上升容器積體的(1-0.146%)*14%+7%=20.98%,若以相對誤差來說,約只剩下0.095%,當然這只是理論值,實際操作還有許多人為與環境的不確定因素,使得準確率下降,但卻可以讓實驗本身有更多的參考價值。

註1
http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_dioxide
註2
以上推論都是假設我們利用乙醇可以將容器內部的氧氣完全燃燒且沒有熱膨脹的情況下來討論,因此可能會因為操作技巧與外在環境等因素,導致實驗產生極大的誤差,在此僅就數學上作探討。

2017年7月27日 星期四

可調頻的火花打點計時器

聽到有人在討論希望有可以調整時間差的火花打點計時器
一般實驗室的陽春版都是利用市電的60赫茲當作標準
也無法調整時間差
對於一般的實驗頻率太大了(滑車速度不快)
結果就是一堆點堆在一起
有需求就會有壓力
壓力一來,靈感也來了
之前利用拍頻來控制閃燈
既然能控制閃燈,應該就控制其他東西
電路圖如下



打點計時器點火槍來充當
不過點火槍本身就有一個自己的脈衝
必須讓這個脈衝很高,才能當作低頻的火花打點計時器
這還算簡單,只要增高點火槍的電壓就好
不過這樣變成超功率,不能用太久,點火槍會燒壞

再來就是利用拍頻來計時了
透過擴大機將訊號放大來控制繼電器
必要時調整輸入電流大小
讓繼電器的開關動作能明確
繼電器再來控制點火槍
自製的"可調頻火花打點計時器"就搞定了
不知道實際上好不好用就是了...

2017年7月24日 星期一

雷射瞄準器

今年的物理教育研討會(8/24~26@東海大學)打算介紹一系列PVC管的教具
氣壓槍當然不會缺席
但瞄準就需要技術了
所以決定給他一個雷射瞄準器
到時候讓大家好好的來射擊!!







這個大盛會,物理人千萬可別錯過了
http://phyedu.gogomango.net/site/



線型雷射簡易版




之前用綠光雷射組合成方便光學實驗的線形雷射
但成本實在太高
三支就要破千,還要自己作盒子
雖然效果實在沒話說
但成本就會咬死人
所以還是犧牲掉一些效果
用紅光雷射頭加上麵包板組裝
成本低(100元左右搞定)又快速
適合單人或小組使用
有需要的參考參考







2017年7月23日 星期日

雷射警報器

很多電影都有過這種情節
在一個戒備森嚴的地方設置了雷射交錯的警報器
只要雷射一被阻斷,警報就會啟動
"將計就計"裡面就有這樣經典的橋段

試試看自己設計一個
電路圖如下

利用光敏電阻(LDR)來控制開關
一般而言,光敏電阻照光時電阻較小
到了暗處,電阻就會變大
因此我們直接用雷射對準LDR
再將LDR連接電晶體的B極
就可以控制輸入B極的電流




沒有阻礙時,LDR受光,電阻較小,LED和蜂鳴器都沒有動作
當雷射被阻擋,LED就會亮,蜂鳴器也會開始叫了

相同的道理,就可以設計成計時用的光閘
應該行得通,再找時間試試看
運動學的時間測量就會非常準確了

2017年7月17日 星期一

無線光傳輸_免擴大機的光通訊發射器


有壓力就會有創作!!
最近接了一個案子,主要是針對弱勢的孩子舉辦的活動
老師的職業病,聽到弱勢生
就先答應了再說
結果錢少少,卻要作多多...
還指名要光電相關的
直覺就是弄一個光通訊吧
但不管是七年前的爛版本
或是最近的改良版
光訊號的發射端都需要加裝擴大機來增加電壓
問題是光是擴大機就超支了!!
怎麼辦...
有壓力就會有創作!!
就為了這些孩子(雖然我根本都還沒看到人)絞盡了腦汁
終於弄出一個便宜的版本
電路圖如下

基本上就是用焦耳神偷當基底
輸入電壓再串聯上音源
利用輸入電壓的些微變化控制LED的電壓
就可以讓LED隨著音源的頻率閃爍了


沒想到的成功了!!

上帝保佑,這樣錢就夠用了

後記:
因為音源輸出的電壓很小
所以電源的電壓也不能太大
但太小又不能驅動LED
因此這樣的裝置對電壓的range要求很高
大概就是1~1.2V
若太高(1.5V),就要加裝一個整流二極體來降壓

2017年7月8日 星期六

自動螺絲_共振現象


好多人在玩
我也來趕流行一下

看似神奇的現象
不用動到螺絲就能自動控制要旋轉的方向??
其實就是共振
在裝置上放了一個偏振馬達,再加上開關方便控制旋轉方向





從螺絲的方向看
當螺絲逆時針旋轉時會旋出
反之,順時針旋轉時會旋入
我們利用偏心的轉軸來產生一個特定方向的震動
當偏心軸順時針旋轉時,產生的震動也會讓螺絲順時針旋轉
就會慢慢向下旋入
當偏心時針旋轉時,產生的震動也會讓螺絲逆時針旋轉
就會慢慢向上旋出

這件事看起來沒什麼
卻是至關重要的事
我們的許多機械裝置都要靠螺絲幫忙固定
若這個裝置產生一個特定方向的震動
時間一久,就可能會讓螺絲鬆動
如果這個裝置螺絲是固定一座大橋
或是固定飛機
或是固定車子
或是固定一個鋸片
那事情就大條了!!

絕命終結站就出現過許多類似的「意外事件」
如果知道了原因,還放任它發生...
或許也不應該叫做意外了

2017年7月2日 星期日

音樂鉛筆_集成

手癢...
就是想做一個給女兒看
只是嗶嗶叫不好玩
所以在電晶體B極的地方接上一個切換開關
加上一個音樂IC片(接上電源就會唱生日快樂歌)
就可以選擇嗶嗶叫或唱生日快樂














有啥用?
沒用...