教學模組發現力之美—生活壓力
教學示例 | 說明 |
【確定問題】 對於不同的力其測量的方法各不相同，今天我們所要探討的生活壓力包含了固體的壓力、液體的壓力以及氣體的壓力。對於這些生活中常遇到的問題，我們經常在不經意當中便忽略了它的存在，此次藉由日常生活中的小實驗來探測這些壓力的存在，並設計製作簡易的壓力測量計，藉以探討「生活壓力」的各種特性。並將觀察測量的結果於研討會上報告，並說明為什麼要這樣測？這樣的測量是否可以探討在不同條件下物體受壓力的程度？ 經過討論之後，我們決定選擇使用自製深水炸彈來探討水壓的問題，並設計簡易的減壓裝置來觀察大氣壓力的種種現象，關於固體的壓力，我們預計採資料閱讀的方式來討論，不過進行實驗前時，我們發現必須先釐清以下的問題： 對於不同的的壓力，我們有時可以使用標準的壓力計，但本實驗操作觀測的目的在於證明液體壓力及氣體壓力存在的現象，因此選用自製深水炸彈來探討有關水壓的問題、並設計簡易的減壓裝置來探討有關氣體壓力的問題。 不同的環境時空：如高山平地大氣壓力不同、室內室外風向風力大小均會影響實驗的變數，這些因素所造成的誤差均需考量。 實驗觀測的結果能代表或換算成理論實驗值嗎？ 影響壓力的因素有好多，在測量時我們必須盡可能的把這些因素固定下來。 【蒐集資料，規劃工作】 1.蒐集資料： 我們透過坊間書籍、圖書館、專家、行家、專家及網站去蒐集相關的資料。 2.規劃測量工作： 操作一：液體壓力「深水炸彈」 為了方便操作，由教師提供各組操作材料：包含一個有蓋的塑膠罐、電池、燈泡、汽球、橡皮筋、鐵絲、絕緣膠帶及塑膠黏土等器材，並提供高達120 cm長的壓克力管柱。 做法：利用部分鐵絲、電線和電池連接一個電路，其中一端和電池一極接觸，另一端用雙面膠吸附在汽球膜上，並將整個裝置加上黏土配重，使整個裝置能沒入水中原則。 將氣球膜固定在罐口，依據原理適當的調整膜上電極和電池之間的間隔距離，使能完成 80 cm定點引爆，並宜多加練習和調整。 | ⊙確認問題：一個「題目」，經過多方面的考量之後，知道它的性質、可能影響到它的因素、未確定的關係等等，也就是察覺到它「可探索」的空間。並依此一認識，擬定研討的目的和方法，經過此一思考，就知道要做什麼了。 ⊙此一「可探索空間的開拓」，常常需要教師的引導和開發，並協助學生將紛雜的意見整理出幾個工作方向和方法來。 ⊙提出策略的階段：（就是「打算怎麼做」） 「主意」可能是學生自己提出的、也可能參考專家的做法再調整的、當然也可能教師提示的。 ※學生想出來的方法，未必和本模組預先所想的辦法相同，教師若能對學生的獨創性加以尊重，依著學生的想法去協助他們實現，則將更能鼓舞其學習的熱忱。 ⊙有時，教師把「活動單」印給學生，要學生完全照著那個過程去做，則事情會進行得很快。不過，這樣一來，學生的自主性、創意空間都沒有了，學習熱忱也降低了，所以並不鼓勵這樣做。該「活動單」是提供給教師在指導學生時「參考」用的，不是「宣示」用的。若是活動由學生自己來規劃，可能做法會不同，這也是我們應該鼓勵的。 |
4「生活壓力」活動指導
教學示例 | 說明 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
操作二：氣體壓力「減壓裝置」 準備可抽氣式之真空密罐，由教師提供各組汽球數個。 另備各組配備50 cc針筒、單向閥、橡膠管及有側管試管並套上活塞：於空的有側管試管中倒入20 ml約70~80℃的熱水，連接橡膠管及單向閥，藉由控制單向閥的方向讓針筒抽氣後關閉單向閥，使能觀測到水的沸騰為原則。 【執行測量與讀取數據】 於操作一中，我們先選擇調整汽球膜與鐵絲接觸的距離，藉以控制水壓觸及汽球膜的距離來判斷水壓的大小或藉由調整汽球膜的壓力強度來控制水壓施力的大小程度。 〔測量一〕：由每一小組分別依次調整汽球膜與鐵絲接觸的距離。反覆嚐試數次，一直待到指定的80 cm深度燈亮為止。 實驗次數 調整的鐵絲與汽球膜距離（mm） 燈亮的深度（cm） 1 2 3 4 5 〔測量二〕：由每一小組分別藉由調整汽球膜的壓力強度來控制水壓施力的大小程度。反覆嚐試數次，一直待到指定的80 cm深度燈亮為止。 實驗次數 調整汽球膜章力的強度（鬆緊） 燈亮的深度（cm） 1 2 3 4 5 〔測量三〕：由老師準備數種未知溶液，各組分別藉由調整好的深水炸彈，分別測得未知溶液的比重並推測其可能為何種溶液。反覆嚐試數次，一直待到同樣深度燈亮為止。 | ⊙這階段的工作主要是：安置儀器、處理執行中所發生的各種阻礙、運用圖表登錄資料。 ⊙體會只有切實細心的觀測、不偏頗的採證，才能獲得可信的資料。也只有依據可信的資料來推論，所得的結論才不會謬誤，這些實作活動對「科學態度」的養成、「科學本質的體會」會有很大的助益。 |
教學示例 | 說明 | ||||||||||||||||||
於操作二中，我們選擇調整注入的水溫度或記錄控制針筒抽氣時抽出空氣時力量的大小（判讀塑膠活塞相對於針筒的刻度，以頂端的位置為主），以觀測到水達到沸騰時為則。 〔測量一〕：觀察吹氣的汽球，在密封罐中經減壓抽氣後，它的外型呈現何種變化。（只觀察並記錄其變大或變小）；當再度將空氣注入，汽球的外型呈現又有何種變化。 〔測量二〕：由每一小組分別量取不同溫度的水。固定針筒的壓力，觀察並測量記錄結果如表列：（以觀測到水達到沸騰時為則）
【資料分析與研判】 此處的資料研判，均以觀察現象為原則，至於判讀的數據，只是幫助我們詳實記錄實驗的整個過程及記錄，以符合從事科學研究的精神與方法，至於進一步的數值分析，則已涉及高中氣體體積—溫度探討的單元，則需透過查理定律來進行比較分析，非國中階段討論的範圍。 | ⊙這階段的活動主要在於分析及歸納資料。 由紛雜的數據中，理出一條條的規則或變化趨勢來，發現出特異的表現。 |
教學示例 | 說明 |
【結論】 1.結果與心得： 本小組一致認為：在測量液體壓力時，物體所處的位置越深，則所受到的壓力越大。亦即物體受壓的程度，將與物體在液面下所在位置的深度成正相關。其次，關於大氣的壓力，透過減壓裝置，我們很容易可以觀察到大氣壓力存在的證明，同時也可以了解到氣體的壓力，是由於受到氣體分子碰撞的結果，因此同樣的氣體，在一密閉系統中，壓力的大小和體積成反比。 2.檢討與改正： a.關於自製的深水炸彈，本組有人認為將老師提供的材料作部分的調整與修正：例如：封裝前最好是先將鐵沙等重物裝入瓶中，因為塑膠黏土的比重不夠大，遇密度較大的溶液則沉不下去，便無法測知未知溶液的密度。不論是調整汽球膜與鐵絲接觸的距離，或藉由調整汽球膜的壓力強度來控制水壓施力的大小，均不易達到指定的深度引爆，既然我們的目的僅是測量未知溶液的比重，因此，只要由水的密度為基準測得的引爆深度，藉由P＝h1×d1＝h2×d2，由測得未知溶液的引爆深度，即可換算出未知溶液的比重。 b.在減壓的裝置一中，我們所要觀察的是汽球在減壓的情況下，汽球的漲縮情形，因此，這樣的一種現象，並不需要精確的記錄到密封罐中氣體壓力的變化，若真的需要精準測知密封罐中氣體壓力的數據，則必須外接壓力計來判讀，然而，關於汽球體積的漲縮程度的，亦難以判斷。 c.在減壓的裝置二中，不管我們選擇調整注入的水溫或記錄控制針筒抽氣時抽出空氣時力量的大小時，均以觀測到水湧沸現象作為判斷達到沸騰時的標準，並記錄相對於此時塑膠活塞針筒的刻度，如此較方便觀察。 【評量】 本活動之評量採以下幾種方式進行： 1.經驗分享情形： 聽取別組的報告，提出問題，並必較別組所獲得的資料和結果。回答別組對本組實驗工作所提出的意見或問題。 2.小組報告： 各小組分別負責將整個活動的設計作摘要性的記錄，其內容必須包括「活動名稱」、「目的」、「方法」、「資料」、「資料分析與研判」、「結論」。 3.透過學習單的學習及小組實驗活動互動的情形，由小組本身提供自評的機會，並由其他組的同學彼此提供互評的機會，提供多元學習之評量以提昇學生學習之成就。（教師可提供評量的標準表或由學生自行提供敘述性之評量） 4.學習結束時，教師亦提供實驗相關知識的評量題目，提供師生作互動的雙向回饋，以提昇教學品質。 | ⊙本階段工作在於提出成品或建構理論，依據歸納出來的一些特徵、性質、規劃性，給於一個詮釋或理論、看法。並且對於依此理論所偏離的、不符合的各項資料做了解釋。 ⊙對所做的事，做一種檢討，並將新發現的問題提出來。 ⊙教師可為各小組的工作設計「記錄單」供聽講的同學記錄，並以記錄單上的問題來設計試卷。 ⊙教師評分時，可依據：「報告撰寫之完備」、「研究方法之創新」、「資料的處理及分析能力」、「分工合作情形」等來評分 ⊙評量內容應涵蓋整個科學素養所包含的各項能力。 |
「生活壓力」評量
1.基本上我們在「生活壓力」實驗中，我們主要探討的目的為何？並請依所做的實驗，分別加註說明。
答：
2.可否簡單敘述說明如何可以測得或感受到固體壓力存在，請舉例說明？
答：
3.關於液體壓力的測量，我們所製作的深水炸彈，是否能準確的達到指定深度引爆？若不能，你可以推測可能的原因為何嗎？
答：
4.同上題，如果不能依指定標準控制自如，於本次作過程中又可以歸納出哪些結果？它們所依據的原理又是什麼？
答：
5.同上題，自製的深水炸彈能依限制條件達到指定深度引爆，通常我們可以調控的部分，除了老師提供的方式外，你還想過其他的方式來設計嗎？請加以敘述說明？
答：
6.同上題，請試著說明液體的壓力與物體所在位置高度之間的相互關係？
答：
7.關於氣體的壓力，我們可以藉由減壓裝置一中，看到什麼現象？
答：
8.同上題，可以用怎樣的定理或關係來說明解釋我們所看到的現象？這樣的現象，可以證明大氣存在的壓力嗎？
答：
9.減壓裝置二中，我們使用有測管之試管，目的是為了方便觀測，若同時配合單向閥控制抽出氣體的量（我們以放大密閉系統中容器的體積來表示），你認為這樣的做法合理嗎？可否再提供改進的方法呢？請略述說明？
答：
10.同上題，我們觀測到減壓沸騰的情況，請你說明為何未達沸點的水，經減壓處理後又再度沸騰？
答：
『生活壓力』學習札記
我是「生活壓力」第小組的○○○
小組成員：
一、自製深水炸彈測量液體壓力和未知溶液液體的比重
‧我們認為選用自製深水炸彈來測量液體壓力和未知溶液液體的比重的理由：一是這樣的操作相當有趣，為了調控到指定深度引爆，我們必須想盡辦法來克服任何阻礙活動進行的因素。其次是我們不需透過壓力計來執行壓力的數據的判讀，藉由自製的儀器，便可以達成實驗的目的，這是對自己的一種挑戰，也是一種科學實證的探索與學習。
‧本實驗中，本組認為影響「液體壓力」的因素有
‧本人認為，另外可能還有的影響因素是
‧關於調整汽球膜與鐵絲接觸的距離，藉以控制水壓觸及汽球膜的距離來判斷水壓的大小，你覺得這樣的方法如何
‧若改藉由調整汽球膜的壓力強度來控制水壓施力的大小程度，你又覺得這樣的方法怎樣
‧本組能依規定調整讓深水炸彈在指定的深度引爆嗎
‧若不能依規定依指定的深度引爆，你認為可能的原因為何
‧本組能得未知溶液的比重嗎未知溶液的比重分別為
二、由自訂的減壓裝置中，證明大氣壓力的存在：
‧本組認為影響「氣體壓力」的因素有
‧本組認為減壓沸騰的裝置設計好不好
若可以修正，本組想將之改為
三、心得：
‧在本組觀察測量的工作中，我擔任的工作是
其實，我最想擔任的工作是
‧依我的看法，我認為測量「生活上的壓力」的方法，若改為以下方法將更合理：
‧依我的看法，認為教師指導的方式不甚妥切，如果可以，我會用
方式來作「壓力」的測量。理由是
四、評鑑：
‧我認為本組在「壓力的測量」上所提供的數值其可信度為（0 — 100）
‧關於這次「壓力的測量」工作中，我感到最高興的事，是我做了一些事：
‧你認為哪一組的實驗操作最有創意
‧我想對於其他小組同時進行的測量提供更好的意見是
可能怎麼做或如何修正會更好
‧我認為本組在學習的過程中學習的情況
誰最認真誰最具有巧思
‧在本次學習中你認為本組學習的成效為（0 — 100）
‧在本次學習中你認為自己學習的成效為（0 — 100）
閱讀資料—生活壓力
壹、固體壓力
一、壓力的效應：相同的兩塊磚塊放在海綿上，直立的磚塊比平放的磚塊使海綿凹陷較深，這說明雖然作用力（重量）相同，但是卻有不同力的效應。
二、壓力的定義：
單位面積所受的垂直力。若以F 表示力，A 表示面積，P 表示壓力，則F、P、A 這三種的關係如右：P = F / A
其中壓力的單位：
1.公克重／平方公分（gw/cm2）
2.公斤重／平方公分（gw/cm2）
3.公斤重／平方公尺（kgw/m2）
貳、液體壓力
一、水壓的來源：水有重量，所以水也會對與其接觸的物體產生壓力。
二、水壓觀測器的現象：
1.水壓觀測器放入水中，橡皮兩面都有凹陷情形。
推論：水的壓力來自水中的四面八方。
2.放入水愈深的地方，橡皮被壓的愈扁。
推論：水壓的大小和水的深度有關，愈深則水壓愈大。
參、大氣壓力
一、大氣壓力的現象(大氣壓力存在的證據)：
裝滿水的杯子蓋上玻璃片，倒轉後杯內的水並未流出來。
減壓實驗設計：抽氣減壓，汽球體積變大。
氣功斷筷。
二、大氣壓力的成因：
圍繞在地球周圍的空氣層叫大氣，它的重量便是大氣壓力的來源。
三、大氣壓力的大小及特性：
1.大氣壓力的大小由所在高度以上的空氣柱重量所決定。
2.大氣壓力會隨時間、地點的不同而變化。
『補充資料』：大氣壓力與高度的關係：在海平面附近的高度範圍內，每增高100公尺，大氣壓力約減少相當於0.8公分高水銀柱的壓力。
Ｐ(
高Ｈ山頂的氣壓)=Ｐ0( 海平面的氣壓)－(
×0.8
)
四、大氣壓力的實驗：
甲.馬德堡半球實驗：描述大氣壓力的大小
1.1664年德國科學家格里克在德國馬德堡所作的實驗。
2.以直徑36 公分的兩個空心金屬半球合起來，並將裡面的空氣抽走。
3.結果是必須用16 匹馬（每邊8 匹）方可將兩個金屬球拉開。
乙.托里切利實驗：測得大氣壓力的大小
1.十七世紀義大利科學家托里切利所設計的一個實驗。
2.將一支長約1 公尺一端封閉的玻璃管裝滿水銀後，將管倒轉，鉛直放置於水銀槽中。
3.測量玻璃管內的水銀長度為76 公分，這個高度和玻璃管粗細、長度、傾斜角度無關。
4.這個高度的水銀柱所產生的壓力，即表示當時的大氣壓力。
註：玻璃管的水銀柱上方，因空氣已完全排除，形成真空狀態，稱為托里切利真空。
一大氣壓：76公分-水銀柱高度所施的壓力。即等於1033.6公克重/平方公分。
一大氣壓（1 atm）＝76公分-水銀柱高（cm-Hg）＝760公厘-水銀柱高（mm-Hg）
＝1033.6 gw／㎝2＝1033.6公分-水柱高（cm-H2O）
＝1013毫巴(mb) ＝1013 百帕（hpa）「氣象上使用」
五、日常生活中的大氣壓力的實例：
1.掛物用的塑膠吸盤。
2.用吸管吸取飲料。
3.吸塵器的利用。
4.真空拔罐器。
5.將橡膠手套翻面。
參考資料：
馬文蔚等編『物理學發展史上的里程碑』。凡亦出版社，新竹，1995。
沈慧君、郭奕玲編『經典物理發展中的著名實驗』第一篇—力學實驗。凡亦出版社，新竹，1995。
大森實著『物理學史簡明教程』第二章—怎理解力的作用，p.26~81。凡亦出版社，新竹，1993。
國立台灣師範大學物理系黃福坤http://www.phy.ntnu.edu.tw/java/buoyantForce
「生活壓力」問答
讀完『生活壓力』閱讀資料之後，你能回答以下的問題嗎？
（以下部分答案是參考用的，教師可依當時情況來研判甚麼答案較為合理）
問：一塊豆腐放在一根釘子上，馬上被刺破，但把它放在布滿釘子的劍山上，則豆腐不破碎，這是為什麼？
答：布滿釘子的劍山，所有的釘子尖端的面積加起來比一根釘子的面積大得多，故豆腐放上去所受到的壓力較小，故不破碎。
問：想想看：我們到水庫去遊玩，如果仔細觀察，都會發現一個現象，那就是：上邊窄、底邊寬，你知道為什麼嗎？
答：由於水的壓力是和水的深度成正比，故水庫的底部事實上承受著較頂部更大的壓力，故一般水庫都會設計成上邊窄、底邊寬的形式，如果從剖面看則成梯形的形狀。
問：你看得到大氣壓力嗎？
感受到大氣壓力嗎？
大氣中是否有壓力的存在？
問：小明和小華於暑假期間攀登玉山群峰，當日清晨從由上東埔出發，並於中午攀抵排雲山莊，開始烹調午餐，期間攀爬上升之高度約為1500公尺，請問：
小明於爬山的過程中，出現耳鳴的現象，可能由何種因素造成？
烹調午餐時，小華使用小傢伙瓦斯爐（罐裝瓦斯），連續用了幾罐均發現容量還剩許多，卻無法繼續使用，這可能是什麼因素造成的？並說明其原因？
此時小明取出汽化爐，順利開始烹煮午餐，但是煮過的米飯吃起來感覺好像沒煮熟的樣子，這又是什麼原因呢？
(D)翌日中午，小明和小華終於攀上玉山主峰（假設此時高度為4000公尺），他們拿出氣壓計測量此處的大氣壓力，請問測量的讀數約為cm-Hg。
問：有過登頂的經驗後，小明和小華計劃於寒假期間到月球上旅行，因月球上缺水，因此他們買了許多各式各樣的飲料，請問：他們可否利用吸管享用飲料？為什麼？
問
：一大氣壓力在一平方公尺的水平桌面上，約略相當於多大重量的力壓在此桌面上公斤重。
問
：於托里切利實驗中，測得並定義大氣壓力的大小。如圖所示：
當水銀處於靜止平衡時，則：
Ⅰ.同一水平面上，A、B兩點所受壓力是否相等？
Ⅱ
.請列出PA、PB和h
的關係式
Ⅲ.圖中C標示之區，壓力為若干？
Ⅳ.若將管柱傾斜，則水銀柱之高度是否會改變？
( PA：為大氣壓力、PB，為水銀柱壓力)
水銀 PB PA h C
「生活壓力」問題
讀完『生活壓力』閱讀資料之後，你能回答以下的問題嗎？
問：一塊豆腐放在一根釘子上，馬上被刺破，但把它放在布滿釘子的劍山上，則豆腐不破碎，這是為什麼？
答：布滿釘子的劍山，所有的釘子尖端的面積加起來比一根釘子的面積大得多，故豆腐放上去所受到的壓力較小，故不破碎。
問：想想看：我們到水庫去遊玩，如果仔細觀察，都會發現一個現象，那就是：上邊窄、底邊寬，你知道為什麼嗎？
答：由於水的壓力是和水的深度成正比，故水庫的底部事實上承受著較頂部更大的壓力，故一般水庫都會設計成上邊窄、底邊寬的形式，如果從剖面看則成梯形的形狀。
問：你看得到大氣壓力嗎？
感受到大氣壓力嗎？
大氣中是否有壓力的存在？
問：小明和小華於暑假期間攀登玉山群峰，當日清晨從由上東埔出發，並於中午攀抵排雲山莊，開始烹調午餐，期間攀爬上升之高度約為1500公尺，請問：
小明於爬山的過程中，出現耳鳴的現象，可能由何種因素造成？
烹調午餐時，小華使用小傢伙瓦斯爐（罐裝瓦斯），連續用了幾罐均發現容量還剩許多，卻無法繼續使用，這可能是什麼因素造成的？並說明其原因？
此時小明取出汽化爐，順利開始烹煮午餐，但是煮過的米飯吃起來感覺好像沒煮熟的樣子，這又是什麼原因呢？
(D)翌日中午，小明和小華終於攀上玉山主峰（假設此時高度為4000公尺），他們拿出氣壓計測量此處的大氣壓力，請問測量的讀數約為cm-Hg。
問：有過登頂的經驗後，小明和小華計劃於寒假期間到月球上旅行，因月球上缺水，因此他們買了許多各式各樣的飲料，請問：他們可否利用吸管享用飲料？為什麼？
問：一大氣壓力在一平方公尺的水平桌面上，約略相當於多大重量的力壓在此桌面上公斤重。
問
：於托里切利實驗中，測得並定義大氣壓力的大小。如圖所示：
當水銀處於靜止平衡時，則：
Ⅰ h
Ⅱ.請列出PA、PB和h 的關係式
Ⅲ.圖中C標示之區，壓力為若干？
Ⅳ.若將管柱傾斜，則水銀柱之高度是否會改變？
( 水銀 PB PA C
PA：為大氣壓力、PB，為水銀柱壓力)
4-