2022年【全國科學探究競賽-這樣教我就懂】
國中組
成果報告表單
題目名稱：
濾紙上的絢爛
一、摘要：
我們實驗想了解各種影響濾紙色素分層情形及上升速率的因素。結果發現濾紙是最合適的
紙張。使用黑色彩色筆時，濾紙的任何變因都不會影響色素分層情形，但濾紙寬度寬、孔徑
大、泡在水的面積大、水溫高都會使色素上升速率較快；而上升高度越高，每上升
1公分所需
的時間越長。彩色筆是最合適的，其他常見的筆效果很差。其中黑色、紫色以及綠色的彩色
筆色素分層最明顯，且展開液用水最合適。利用濾紙色層分層的性質我們也做出了創意卡
片。
二、探究題目與動機
國小時曾經因為一時頑皮，在自然課時把水彩塗在濾紙上，想當然的換來了自然老師一陣
臭罵。但是我被濾紙上顏料漸漸層的效果吸引住了。上了國中後，做了「濾紙色層分析」的實
驗，當把濾紙浸入水中那一刻，我又像回到了小學的那堂自然課，陶醉地看著眼前的色彩。
此時，心中冒出了許多的疑問：如果使用不同的顏色是不是也有不一樣的效果呢？假如換成
不同的筆呢？或者是不同形狀的濾紙呢？因此，我們設計了一連串的實驗。
三、探究目的與假設
(一)實驗A:相同色素時探討濾紙各項變因對色素分層情形及上升速率的影響。
(二)實驗B:相同色素時探討水溫、水的體積、濾紙泡水深度對色素分層情形及上升速率的
影響。
(假設: 水溫愈高、體積愈大、泡水深度愈深色素上升愈快，但不影響色素分層情形)
(三)實驗C:探討不同材質紙類進行色層分析情形，找出可替代濾紙的材質。
(四)實驗D:探討不同種類色素在不同展開液色素分層情形。
(五)利用色層分析製作創意卡片
四、探究方法與驗證步驟
1
(一)探究方法:
大部分實驗都依下列步驟進行探究
:
1.剪下長9公分寬1.2公分的濾紙，在濾紙距離底部一公分處用筆畫一條線
2.把濾紙浸入展開液中，約0.5公分使水面低於畫線處如圖(一)。
3.記錄水上升5公分需要的時間並將色素分層情形照相記錄。
(二)實驗A:使用黑色彩色筆時濾紙不同變因對色素分層情形及上升速率的影響
圖
(一)裝置圖
實驗
A1:濾紙不同置放方式結果
為了方便操作設計了
8種不同濾紙放置方式，其裝置如下表一。
表一
:不同濾紙放置方式
各種不同放置方式其黑色彩色筆色素分層效果沒有差異。時間會有不同，但差異不大，而且
相同方法再重複一次快慢結果差異大，這代表放置方式不是影響上升速率的原因。
實驗
A2:不同濾紙寬度結果
取
3公分的及1.2公分的濾紙重複探究方法的步驟，其色素上升所需時間如
下表
:
表二
:不同寬度濾紙黑色彩色筆色素上升所需時間表(單位-分:秒)
上升高度
1公分
2公分
3公分
4公分
5公分
細黑
0:18
0:54
1:48
3:04
4:41
粗黑
0:14
0:43
1:27
2:27
3:49
圖
(二)不同寬度
結果可以發現寬濾紙上升速度較快但色素分層情形如圖
(二)沒有差異。而且細濾紙泡水，水
從
0公分上升到1公分需要18秒;第2公分花費36秒;第3公分需要54秒;第4公分是1分16秒;第
5公分則需要1分37秒，都是一公分的高度但高度越高，需要花費時間越多，上升速率越慢。
而粗濾紙的實驗結果也是高度越高上升越慢。
延伸實驗
:想知道其他顏色是否有相同效果
表三
:不同寬度濾紙綠色、紫色彩色筆色素上升所需時間表(單位-分:秒)
上升高度
1公分
2公分
3公分
4公分
5公分
細綠
0:19
0:47
1:33
2:37
4:00
粗綠
0:23
0:57
1:50
3:07
4:41
細紫
0:24
1:01
1:51
2:59
4:26
粗紫
0:22
0:58
1:41
2:56
3:49
結果發現綠色、紫色彩色筆有相同效果。寬的濾紙色素上升較快，且高度越高上升速度越
慢。
2
實驗
A3:不同圖案結果
用黑色彩色筆畫出
9種不同圖案如右圖(三)，實驗
結果發現
:
圖案分層結果無差異，都可分成藍色、棕色和黃
色。而色素上升速率因不同日期實驗結果差異很
大，無法比較因此推測可能和溫度、濕度有關或
是濾紙纖維方向有關
圖
(三)9種不同圖案結果
延伸實驗
:不同環境濕度對色素上升速率的影響
表四
:不同濕度色素上升所需時間表(單位-分:秒)
濕度
第一次
第二次
第三次
平均
69%
3:03
3:31
4:10
3:34
57%
4:15
5:31
6:10
5:22
由實驗結果可知濕度較高速率較快。
延伸實驗
:用複式顯微鏡觀察濾紙纖維
表五
:顯微鏡下濾紙纖維
40X
100X
400X
結果發現濾紙纖維是雜亂無規則
實驗
A4:不同濾紙形狀
用黑筆依實驗步驟在不同形狀濾紙上畫線，放入水中
並測量時間，其結果如右圖。由圖可知濾紙形狀不會
影響色素分層情形，但從時間可以歸納出底部較寬，
上方較窄的濾紙形狀上升速率較快。例如正梯形第一
次實驗花
3分10秒，但倒梯形花3分45秒；正梯形第二
次實驗
4分40秒但倒梯形5分31秒。三角形也有相同結
果
:正三角形實驗只花5分33秒；倒正三角形卻用了7分
58秒。
(四)不同濾紙形狀
實驗
A5:不同孔徑濾紙結果
3
表六
:不同孔徑濾紙
孔徑
1
µm
4µm
5µm
7µm
第一次
12:00
6:18
6:18
5:03
第二次
11:37
6:35
6:35
6:09
第三次
12:20
6:30
6:30
5:34
平均
11:59
6:46
6:28
5:35
結果發現
1
µm時間平均11:59，4µm時間平均6:46，5µm時間平均6:28，7µm時間平均5:35。
由此可證，孔徑越大上升速率越快
。
(三)實驗B:使用黑色彩色筆時水溫、水的體積、濾紙泡水深度對色素分層情形及上升速率的
影響。
實驗
B1:不同水溫結果
表七
:不同水溫色素上升至5公分所需時間表(單位-分:秒)
水溫
第一次
第二次
第三次
平均
12.3°C
4:10
4:22
5:14
4:35
32°C
3:12
3:20
4:08
3:33
65°C
2:25
3:11
3:42
3:06
從平均結果可以發現，水溫愈高，色素上升速率愈快。但不會影響色素分層情形。
實驗
B2:燒杯內不同體積水量實驗結果
表八
:不同水量色素上升至5公分所需時間表(單位-分:秒)
水量
第一次
第二次
第三次
平均
100ml
4:06
4:07
4:20
4:11
150ml
4:00
4:10
3:39
3:56
200ml
3:25
3:00
3:39
3:21
從平均結果可以發現，水量愈多上升速度愈快。但不會影響色素分層情形。
實驗
B3:不同入水深度結果
表九
:不同入水深度色素上升至5公分所需時間表(單位-分:秒)
入水深度
第一次
第二次
第三次
平均
0.5cm
4:25
4:59
4:12
4:32
1.5cm
4:21
4:08
4:20
4:16
2.5cm
3:18
3:19
3:17
3:18
從平均結果可以發現，入水深度愈深上升速度愈快。但不會影響色素分層情形。
(四)實驗C:不同材質的紙張實驗結果
4
準備圖案紙、牛皮紙、影印紙、餐巾紙、西卡紙、報紙、擦
手紙、廚房紙巾、熱感應紙及濾紙，重複探究方法的步
驟。實驗過程發現除了濾紙所有紙類上升的速度都很慢
，所以滿八分鐘就停止實驗。
每一種紙都有分層情形，其中濾紙效果最好其次是報紙
和圖畫紙。大部份分層為藍色在上紅色在下，但熱感應
紙和報紙則是相反。實驗發現其他紙張都很不好用，容
易破掉或是上升速度很慢。
延伸實驗
:除了紙張還有其他替代品?
使用粉筆、棉線效果很差。粉筆完全無法吸水，棉線沒有
分層效果。
圖
(五)不同紙張情形
(四)實驗D:探討不同種類色素在不同展開液色素分層情形。
實驗
D1:不同種類色素在不同展開液之色素分層情形
依照探究方法的步驟，使用不同種類的黑筆
(白板筆、細奇異筆、
麥克筆、粗奇異筆及
6種原子筆)。如圖(六)。
1.水為展開液
除了彩色筆其他色素都沒有上升，而且也沒有分層效果。
圖
(六)六種筆
2.酒精為展開液
雖然色素有上升，但沒有
明顯的分層效果只有彩色
有明顯分層。而且酒精容
易蒸發，上升一半就乾
了。
3.丙
酮為展開液
色素有上升，大部分都沒
有明顯的分層效果。
圖
(七)不同種類色素在不同展開液之色素分層情形
根據結果發現丙
酮並不是一個好的展開液；黑色彩色筆使用水或酒精為展開液時才有色素
分層效果。
實驗
D2:不同顏色彩色筆實驗結果
重複實驗步驟，展開液為水或酒精。
展開液為水時，實驗結果
E1、E3、E4、
E6、E7、E9、E12最上層都是藍色；E2
組無分層。分層效果較明顯的是黑色、
綠色和紫色的彩色筆。
展開液為酒精時，較多色素留在底部，
而且色素只上升到一半就停止。其中藍
色色素在水中似乎跑得較快，在
圖
(八)展開液為水
圖
(九)展開液為酒精
酒精中跑得較慢
(E1，F1；E4，F4)其出現顏色相反。
5
實驗
D3:不同廠牌綠筆實驗結果
準備右圖中
14枝綠筆，以探究方法重複實驗步
驟，展開液為水。
結果發現結果發現大部分綠筆都可分成出藍、
綠、黃三種色素，不同廠牌看不出差異。而草綠
色筆分層時會有紅色第四種色素。最右邊兩隻
螢光色彩色筆沒有色素分層現象。
圖
(十)不同綠筆
圖
(11) 不同廠牌結果
五、結論與生活應用
結論：
(一)使用黑色彩色筆在濾紙上畫線，展開液是水時，所有實驗中的變因都不會影響色素分層
的情形，都是藍色在最上面。
(二)紙的放置方式、繪畫圖案不會影響色素上升快慢。濾紙寬度較寬、孔徑較大、形狀底部
較寬、水的體積較多、濾紙入水深度較深、水溫高、濕度大都會使色素上升速率較快。
(三)色素在剛開始上升很快；上升越高時速率會越慢。
(四)濾紙是最合適的材質，其他紙張容易破且上升速率慢分層效果也較不明顯。
(五)最合適的筆是黑色、綠色、紫色彩色筆，色素分層明顯，其他常見種類的筆不容易有色
素分層現象。合適的展開液是水。
應用
:
(一)
改善實驗
:進行濾紙色層分析實驗時，不用管濾紙的大小形狀，使用黑色、綠色或紫色水
彩筆，溶液採用水，讓水上升
4-5公分即可，這樣就可以在短時間觀察到色素分離現象，證明
此色素是混和物。
(二)利用色素會分層的現象做出動態創意卡片，原本看似平凡的點或線，加水後會呈現不同
的形狀和色彩。
參考資料
1.國民中學標準108學年度國中自然科學課綱之2上第三冊教育審定國審定第109032號康
軒文教事業出版
(民國110)P.43。。
2.維基百科:展開液
https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E8%96%84%E5%B1%82%E8%89%B2%E8%B0%B1%E6%B3%9
3.2018小論文競賽
https://www.shs.edu.tw/works/essay/2018/04/2018040214491830.pdf
篇名：
色層分析－混合物的分離探討 作者： 陳璟瑜、 薛筱柔。國立馬公高中。
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