初探口罩實驗—預防空汙的探究 陳美智1 、謝百淇2 國立中山大學氣膠科學研究中心1 國立中山大學教育研究所及暨國立中山大學氣膠科學研究中心2 mei810237003@gmail.com ■前言 2020是新冠肺炎的一年，全球75.9億人口中，目前得病接近9千萬人，死亡人數接近200萬人，更有多個國家元首得病（BBC NEWS中文，2020；國家高速網路與計算中心，2020）。目前許多場所建議佩戴口罩，主要在於口罩能提供基本的飛沫等防護效果（Cowling et al.,2020）。為讓學生能夠更加體會口罩結構性質與防護效果，本文初步提供與口罩相關的教學活動案例，作為教師課程規劃與設計參考。 ■教學流程 本實驗使用引導探究，培養學生在教師給予的鷹架下，觀察現象發現問題，進而理解解析問題，形成需探討的問題，並提出可驗證的觀點，再透過規劃與研究，擬定研究計畫，建立控制變因形成自變項與依變項，並找到控制變因與操縱變因的方法，在合作學習中收集數據，學習定性或定量分析等的方法以蒐集資料，實驗過程能理解數據分析，以尋找可以解釋的科學原理並與他人的研究發現比較以提高信、效度，再討論修正以建立模型，最後學習如何把結果發表給同學或專家學者，依照證據以推理論證，形成結論以創新應用。以下將提供5個示範設計，教師可依照自己課室的真實情境，提供有脈絡化的教學實驗。教師也可依照介紹的不同活動主題先進行基礎學理的說明，以補充學生先備知識的不足。 ■示範設計活動內容 依照食藥署法令公告內容提及醫用口罩主要可區分為最外層的防水層，主要功能用以阻隔飛沫等；中間層為過濾層，主要藉由不同孔隙的材質對細菌等進行過濾；最內層為吸水層，讓人配戴時能感到舒適（衛服部食藥署，2019）。活動規劃即探索防水層、靜電層、過濾層（利用活性碳）、吸水層以及整體口罩過濾效果。詳細說明如下： （一）活動1—探索防水層 1.      發現問題 教師先示範把藍色墨水滴在口罩的最外層及最內層（圖1、圖2），讓學生觀察有何不同？此時教師可提問口罩的最外層有塗蠟或有薄膜嗎？若有塗臘或有薄膜需要如何檢測？若學生無想法時，教師可展示生活中塗上奈米防撥水劑的物質，如加奈米二氧化矽處理過的砂子在水中聚成一團，為什麼不會散開又不會變濕？（圖3、圖4）。進階可探討的問題，如口罩不同接觸層與水滴接觸角關係等（圖5、圖6）。 2.      規劃與研究 此時學生可依據假設，規劃實驗蒐集數據，如接觸角的研究問題，及如何測量接觸角？不同紙張材料的接觸角有何不同？接觸角與什麼力有相關？內聚力、附著力、表面張力？ 3.      論證與建模 學生經由實作與實驗證明塗上防水劑之後的物質，不同於可吸收水分的材料。小組依據實驗結果進行討論形成解釋，可由蒐集的數據中，找出與口罩外層設計的關聯性。 4.      表達與分享 實驗結束後，學生可嘗試說明實驗結果並補充相關資訊。例如：口罩的最外層並非塗蠟或有薄膜，而是使用一種高分子材料的奈米防水劑。奈米防潑水抗污噴霧可用於布料，防霧眼鏡，防水雨傘，及鞋子玻璃、磁磚、馬桶等。 圖1：墨水滴在最外層  圖2：墨水滴在最內層 圖3：奈米沙          圖4：奈米沙在水中 圖5：水滴在口罩最外層形成的液滴      圖6：接觸角的研究 （二）活動2—探索靜電層 1.      發現問題 教師可先示範把口罩中間層靠近撕碎的衛生紙，讓學生觀察到衛生紙可被吸引，再讓學生預測是否能吸引咖啡渣或碳粉？此舉即讓學生思索口罩的中間層是否帶有靜電？接著教師可先讓學生看熔噴不織布的影片，再提問靜電的大小如何偵測，是帶正電還是負電？靜電為什麼用手觸摸，卻不會消失？教師示範口罩接近靜電偵測器，讓學生觀察LED燈明亮狀態（圖7、8、9、10）。 圖7：場效電晶體及LED燈  圖8：口罩靠近，則LED燈熄滅 圖9：毛皮摩擦過的塑膠棒（或氣球）靠近，則LED燈熄滅  圖10：毛皮靠近，則LED維持亮度或更亮 2.      規劃與研究 引導學生規劃實驗進行靜電驗證，如尋找N或p通道場效電晶體JFET（junction gate field-effect transistor）的功能，及物質帶電的序列，以判定靜電的電性。也可以使用驗電瓶檢驗電性（圖11、12），甚至可探究靜電有多大？ 圖11：驗電瓶檢驗電性  […]

鋁元素的趣味科學實驗 周金城 台北教育大學自然科學教育學系 ccchou62@tea.ntue.edu.tw 鋁元素的簡介 鋁是地殼含量中排序第三的元素，僅次於氧與矽。鋁也有很好的延展性，可以製成鋁箔，在生活中有許多的應用。鋁的活性比鐵大，但鋁製品卻不會像鐵製品整個氧化鏽蝕，這是因為鋁表面和氧氣結合氧化後所產生的氧化鋁，會緊密的結合在鋁的表面上，所以讓鋁的內部不會繼續發生氧化。十九世紀初，由於不易將鋁純化出來，導致當時鋁的價格比黃金還高。由於2019年是國際化學元素週期表年，筆者將兩個鋁元素相關的科學實驗撰寫出來，一個是化學實驗，另一個是物理實驗，這兩個實驗都適合讓國小學生操作，若能先閱讀實驗安全事項，並注意實驗過程，這兩個實驗是安全又好玩的實驗。       鋁元素的物理實驗簡介 第一個實驗是「磁鐵吸引鋁箔紙」，我們知道磁鐵與磁鐵可以互相吸引外，磁鐵也可以吸引鐵製品，但磁鐵不能吸引鋁箔紙。但是，鋁箔紙捲成空心管柱後，將強力磁鐵由垂直地面的鋁箔紙所捲成空心管柱中間自由落下，竟然會減緩掉落的速度，感覺就像強力磁鐵能吸引鋁箔所以減速落下一樣。國小三年級就有磁鐵單元，六年級有電磁作用，因此這個實驗很適合當作國小課程的延伸，讓學生進行探究與實作的活動設計，讓學生找出影響強力磁鐵落下速度變慢的原因探究，並可進一步引導學生思考已利用此一科學現象進行創意發想。 一、實驗原理 當磁鐵與線圈的相對位置快速改變時，磁鐵會誘發線圈產生感應電流，此線圈上的電流會產生一個磁場來抵抗原磁場的變化，這個稱為冷次定律(Lenz’s law）。若磁鐵快速靠近環形線圈，會產生相斥的感應磁場，而當磁鐵離開環形線圈時，會產生相吸的感應磁場，這其實是磁通量改變的結果(如圖一)。若是將線圈改成金屬管，就會使垂直地面掉落的強力磁鐵的落下的速度減緩，這就是應用冷次定律所造成的有趣科學現象。 將鋁箔紙捲成筒狀多層並垂直地面，由上端放入強力磁鐵自由落下，雖然磁鐵不會吸引鋁製品，但是掉落的強力磁鐵因冷次定律所產生吸引與反抗的磁場，產生讓磁鐵落下的速度減慢。若是鋁箔捲越多層，強力磁鐵落下的速度就會越緩慢。 圖1在環形線圈掉落的強力磁鐵速度減緩的原因示意圖 雖然前述的實驗原理對小學生來說有些複雜，但是實驗操作步驟與現象的觀察卻很容易進行。這個實驗在網路上常見到使用鋁管或是銅管來進行實驗，但是生活中要找到剛好粗細大小合適的鋁管或銅管並不容易。筆者早期測試時使用一兩張鋁箔紙發現沒有明顯的減速效果，曾經放棄這樣的設計。後來，有一次再度嘗試包覆鋁箔紙時，就想嘗試是否多包覆幾張長鋁箔紙會有明顯的減速效果呢?竟然發現包覆多張就可以觀察到強力磁鐵掉落時的減速效果。而且這樣的實驗還有一個優點，就是讓我們可以觀察到，當包覆越多層鋁箔紙，減緩的效果越明顯，這是直接使用鋁管或銅管沒有辦法觀察到的操縱變因。或許有人會想，使用鐵管是否可以觀察強力磁鐵掉落的速度減緩的更明顯呢?其實使用鐵管是觀察不到這個現象的，因為鐵管會和強力磁鐵緊緊的吸附在一起，根本不會掉落喔! 二、所需藥品與器材 1.      10×10 mm強力磁鐵兩個 2.      粗吸管兩根(珍珠奶茶吸管，管內直徑約1.2公分，長度大約22公分，內徑要略大於磁鐵，但不宜過大) 3.      鋁箔紙一捲 4.      剪刀 5.      碼表 圖2準備兩根珍珠奶茶吸管與兩個強力磁鐵 圖3準備比吸管稍短的鋁箔紙數張 三、實驗步驟 1.準備一根吸管及一個強力磁鐵。 2.將強力磁鐵對準吸管口，放開強力磁鐵使其自由落下，碼表記下時間。 圖4放開強力磁鐵使其自由落下 3.將吸管外圈用逐層纏繞鋁箔紙，並逐次紀錄磁鐵落下的時間。  圖5鋁箔紙盡可能的平整捲於吸管上 圖6測量強力磁鐵在不同吸管中落下速度差異 4.將吸管外圈用鋁箔紙纏繞多圈，重複上述步驟。建議可以繞十幾層，繞越多層強力磁鐵落下減緩效果越明顯，而且鋁箔紙纏繞珍珠奶茶吸管越緊密越好。 5.可以取兩根吸管，一根有包覆鋁箔紙，另一根無包覆鋁箔紙，兩根吸管並排，吸管上端分別置入強力磁鐵並相吸住。當兩根吸管用力拉開時，就可以清楚看到兩個磁鐵落下的時間有明顯差異。 6.可以將兩個強力磁鐵相吸，比較兩個磁鐵與一個磁鐵放入吸管中掉落速度的差異。 四、教學注意事項 1.      第一次操作的吸管無包鋁箔，作為對照組。 2.      包覆鋁箔紙的吸管可形成環形導線的線圈。 3.      當強力磁鐵落下時，磁鐵移動之下方鋁箔管會產生相斥的感應磁場，會抵擋強力磁鐵落下造成的磁場變化；磁鐵移動之上方鋁箔管會產生吸引的感應磁場，下方產生排斥磁場，上方產生吸引磁場，造成強力磁鐵落下的速度減慢的原因。 4.      手拿吸管時，不要大力捏住吸管，這樣磁鐵落下變慢的原因不是因為冷次定律，而是因為吸管口徑變窄，倒致摩擦阻力變大所造成磁鐵落下變慢。 五、安全注意事項 1.          強力磁鐵相吸時力量很大，可能會導致手指的皮膚被夾傷，要小心使用強力磁鐵。 2.          強力磁鐵若由高處直接掉落地面，強力磁鐵可能會破裂，而破裂碎片邊緣可能會很鋒利導致手被割傷，因此由吸管落下的強力磁鐵在桌面上進行，且桌上放置軟布以減緩衝擊力量，避免強力磁鐵破裂。 […]

發現濃度對熱失控的誘導期和速率之影響： 一個發現學習的化學實驗（上） 楊水平 國立彰化師範大學化學系 *yangsp@cc.ncue.edu.tw n   簡介 (一)  熱失控 熱失控（Thermal runaway）發生當溫度升高時，因改變條件的情況而導致溫度進一步升高的一種方式，通常導致破壞性的結果，這是一種不受控制的積極回饋。換句話說，熱失控描述一種過程，該過程是藉由升高溫度而加速變化，因進一步升高溫度而釋放出大量能量的方式。 化學反應有時會引發嚴重的爆炸和火災的事故，這些化學事故有很多不同的原因，熱失控反應是爆炸和火災的主要原因之一。在化學和化學工程中，它與藉由溫度升高加速強烈的放熱反應有關。在電氣工程中，熱失控通常與增加的電流與功率消耗有關聯，此種熱失控與放熱反應也受到關注。熱失控可能發生在土木工程中，特別發生在大量混凝土固化而釋放出熱量不受控制時。在天體物理學中，恆星中的失控核聚變反應可能導致新星和幾種類型的超新星爆炸。全球暖化實在令人擔憂，全球平均增加高於工業化前基線3-4℃時可能導致地球的表面溫度進一步不受限制地增高，例如：釋放甲烷，此溫室氣體比來自濕地的CO2更有效地增高地表溫度，可能導致熔化永凍土和大陸邊緣的海底沉積物。1 熱失控是一種現象，其中化學條件和電池內的溫度上升極為快速。這是一種連鎖反應，電池溫度升高會加速電池中的化學反應並破壞電池。熱失控是一種災難性的情況，因為當電池無法排出其產生的熱量時，其組件會熔化，並釋放出不需要的氣體、熱量、煙霧和酸性物質，進而損壞相鄰的設備。鋰離子電池特別容易發生熱失控，其熱失控是電池內部化學反應和 / 或短路的複雜組合，其由來是電池內部或外部的過多熱量所引發。鋰離子電池不是典型的電氣火災，其化學反應產生額外的熱量，這導致正面回饋循環而進一步溫度升高，直到電池內沒有反應性試劑為止。2-4 在2001年9月11日紐約世界貿易中心因兩架商業客機被恐怖分子劫持，在蓄意襲擊後而導致雙子塔倒塌。美國航空公司的11號航班墜毀在北塔大樓，而聯合航空公司的175號航班則墜毀在南塔大樓。雙子塔的倒塌摧毀其他建築群，坍塌的塔樓的碎片嚴重破壞或摧毀十幾個其他相鄰的附近建築物。在襲擊發生後不久，許多結構工程師和專家與媒體進行討論，描述他們認為導致塔樓倒塌的原因。加州大學柏克萊分校的結構工程教授Abdolhassan Astaneh-Asl解釋說道，火災中的高溫削弱大樓的鋼樑和柱子，導致它們變得〝柔軟和糊狀〞（soft and mushy），最終它們無法支撐整個大樓的結構而倒塌。西北大學土木工程和材料科學教授Zdeněk Bažant發表一份文件草案，簡要分析世界貿易中心大樓倒塌的原因。Bažant認為，來自火災的熱量是一個關鍵因素，導致核心和周邊的鋼柱在失去承載能力和屈曲之前發生減弱並經歷變形。一旦特定地板上超過一半的柱子彎曲，就不能再支撐架空結構，使得結構完全坍塌。Bažant後來也發表這一份分析的擴展版本。其他分析由麻省理工學院土木工程師Oral Buyukozturk和Franz-Josef Ulm進行，他們描述了崩潰機制。5 世界貿易中心北塔大樓火災釋放的能量相當於1.9千噸TNT爆炸的能量；南塔大樓釋放的能源相當於717噸。大量的能量可能會嚴重削弱建築物的框架。6 (二)  熱失控誘導期 在化學動力學中，一個誘導期（induction period）是一個初始階段緩慢的化學反應，在誘導期後，反應會加速。忽略誘導期可能導致失控反應。熱失控誘導期的結束是熱失控行為開始的量度。化學反應誘導期的時間長度可以藉由下面的方法追踪反應系統的溫度，以實驗方式來測得。對於熱失控的化學反應，圖一是一個化學反應時間與溫度之關係的典型結果。找出熱失控誘導期時間長度的步驟為：(1)繪製溫度對反應時間的圖，得到最佳趨勢曲線；(2)在曲線上繪製兩條外推直線（水平線和切線）；換言之，在最佳趨勢曲線上繪製一條趨近的水平線，並且透過在最佳趨勢曲線上高於溫度0.5℃和1.0℃的兩點畫一條直線的切線（此直線是溫度對時間曲線的近似切線）；(3)這兩條外推直線有一交叉點，確定交叉點在橫坐標上所對應的時間，這就是誘導期的時間長度（以tip表示）。7 圖一顯示tip = 260 sec。 圖一：熱失控誘導期和熱失控速率的典型圖 本實驗使用鹽酸與鋁箔進行反應，如式[1]所示。 6HCl(aq) + 2Al(s) → 3H2(g) + 2AlCl3(aq)    [1] 利用不同鹽酸濃度和誘導期的倒數之數據，在畫出最佳的趨勢線後，可以找出最低反應的[HCl]之值，以[HCl]0表示；以及有效的鹽酸濃度，以[HCl]effect表示。其繪製步驟為：(1)繪圖tip‒1對[HCl]；(2)繪製最適合於數據點的線性迴歸線，並取得迴歸方程式；(3)確定線性迴歸線與tip‒1 = 0相交的點上的[HCl]值，並定義該值為反應最低的[HCl]之值，以[HCl]0表示；(4)定義有效的鹽酸濃度，以[HCl]effect表示，計算式為：[HCl]effect = [HCl] ‒ [HCl]0；以及(5)使用速率定律常數k，描述tip‒1與[HCl]effect之間的關係，並計算平均的k值。7 (三)  熱失控速率 化學反應的速率定律式（rate law equation）是結合反應速率與反應物的濃度或壓力和常數參數（通常為速率係數和部分反應級數）在一起的方程式。對於許多反應，速率是由冪次定律（power law）得到，例如：一般化反應式，如式[2]所示；其反應速率的定義，如式[3]所示；其速率定律式的表示，如式[4]所示。8 A […]