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走馬燈教具是應用熱對流的機制?

真相追追追

或許各位朋友在小學自然課上到熱對流時,曾製作過這種有趣的科學玩具(特別是在元宵節時若提這個會旋轉的燈籠會非常的炫),有些教師會藉此來教導學生熱對流的科學概念。

不過,一個有趣的現象是「不管上面這個紙杯的開口方向是向右或向左,這個熱對流走馬燈紙杯一定是朝固定方向旋轉」;另一個更有趣的現象則是「不管這個熱對流走馬燈有沒有點火,紙杯還是朝固定方向旋轉」!既然如此,拿這個玩具來教科學不就變成是偽科學了嗎?

為什麼不點火時,走馬燈也能由靜止開始加速起來呢?它所增加的動能又是誰給的呢?在研究這個有趣的課題之前,先來看這個走馬燈所使用縫衣線的顯微照片(這時 把手機或平板變成顯微鏡 剛好能派上用場)

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由顯微照片中可以看出這條細細的縫衣線其實是由3股線捻製而成。當在縫衣線的下方懸掛重物時,由於縫衣線會受力而被拉長,這三股旋繞的捻線於是就有被拉成直線的趨勢。就是因為它原本是旋繞的編法,每一股都被拉成直線就會旋轉起來,這就是走馬燈旋轉的真正機制。至於造成走馬燈由靜止被加速所產生的轉動動能,則是因縫衣線被拉長時由於走馬燈的重力位能下降所轉換而來。為了證實這樣的機制,我做了一個使用釣魚線來代替縫衣線的對照實驗

回想起某年在植物園有一場由教育局主辦的科學闖關活動,在為數眾多且精彩的攤位中,有一攤是由一位玩寶特瓶玩到令人瞠目結舌的老師所主持。他有一項教具是使用分別塗上黑漆與白漆的2個寶特瓶,這位老師把這兩瓶以線懸吊的寶特瓶拿出棚外來曬太陽時,可以很清楚的看到漆成黑色的寶特瓶在陽光照射下旋轉了起來,而另一瓶漆成白色的寶特瓶在陽光照射下卻仍然紋風不動。這位老師於是說:「這就能證明黑色物體吸熱快,因此瓶內的熱空氣向外流出,推動了開口處的扇葉讓寶特瓶轉了起來…」接著就是觀眾熱烈的掌聲。等眾人離開之後,我問這位老師:「請教老師一個問題,為什麼黑色瓶子使用棉線懸吊,而白色瓶子卻使用釣魚線呢?」,這位老師當時支吾其詞不知所云。我接著說:「請問能否把教具借我看看?」,他把教具交給我時,我做了一個顯然是來踢館的動作,將黑色瓶子在棚內照不到陽光的位置處提了起來,然後問說:「請問老師,為什麼黑色瓶子現在沒曬到陽光還是一樣轉起來?」,這時只見這位老師一臉錯愕而不發一語…。

這不禁令人想起Discovery節目也曾發生過類似的事件,有一集為了製作中國漢朝的淮南子一書所記載的「艾火令雞子飛,取雞子,去其汁,燃艾火,內空卵中,疾風因舉之飛」效果,在節目中播出了【拿著一束點燃的線香,在上面放一個底部簍空的空蛋殼,結果蛋殼居然能懸空漂浮】,接著節目下了一個這樣的旁白「這是應用熱氣球的原理…」

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計算一下就知道這是不可能的,若以熱氣球為例,氣球皮的重量正比於長度平方,而浮力卻正比於長度三次方,因此尺度越小就越難以升空。蛋殻重量約5克重(蛋膜則約0.25克重),空蛋殼的容積約65立方公分,由於1公升的空氣質量才1.2克,因此縱使將蛋殻內加熱到所有空氣都散逸的真空狀態,這已經是能提供最大浮力的狀況,最多也只能提供浮力 B = ρvg ≒ 0.08克重,這麼小的浮力怎麼能升起5克重的蛋殻或0.25克重的蛋膜呢?所以縱使是標榜求真的Discovery頻道有時也是會凸槌的^^