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。 […]