活动三十一连通管和液体的轻重

1、活動三十一：連通管和液體的輕重一、前言：簡單地說，當兩個盛裝溶液的容器之間，以一條管線連通之後，如果兩側的壓力大小不一，容器內的液體會由較高的一邊流向較低的一邊，以使得液面的高度相同（壓力也變為相同），這種現象的原理，我們稱之為連通管原理。你所舉的這些例子似乎都不適用連通管原理，因為它是用在液體，而非氣體。 在我們日常生活中，馬桶或是在五金行或超市就買得到的吸油管（或稱虹吸管）可以用來吸汽缸裡的汽油，或水族箱底部的便便、飼料渣，也可以算是連通管原理的運用。二、實驗目的：1. 認識連通管。2. 具體操作連通管裝入不同液體所形成的液面差。3. 設計簡單操作以分辨鹽水、清水輕重。三、實驗器材：尺、連

2、通管、型管、滴管、燒杯、火柴、色素、酒精燈、甲、乙、丙液體四、教學內容：1. 完成實驗裝置（老師現場指導）。2. 準備甲、乙、丙三種液體：甲（藍色）、乙（紅色）、丙（黃色）3. 只裝清水時，結果如何？4. 甲乙、甲丙、乙丙分別比較一下。液體結果甲乙甲丙乙丙高低五、課後測驗：1. 連通管不同開口的水位高低有何不同？2. 兩個開口如果裝入輕重不同的液體，液面的高低如何決定？3. 甲、乙、丙三種液體由輕至重寫出？4. 鹽水和清水（同體積）哪一個重？六、小常識：水龍頭的妙趣宋朝詞人柳永在生前作品極受一般大眾歡迎，到處傳唱，古人形容為凡有井水處，皆能歌柳詞。這種婉轉的形容，借用人居家必然需要用水，所以用

3、有井水處代替家家戶戶。現代家庭中，幾乎家家都有水龍頭。水龍頭一開，水便源源而來，常常令人忽略了它顯現的物理現象實在是眾多而又有趣的。我們開水龍頭見水柱傾瀉而下，如果稍稍用心，可以觀察到水柱是上粗下細的。原來水柱之所以由上往下流，是因為重力作用是向下的，水柱雖然上下看起來沒有什麼差別，其實愈下方的水流速度愈快。然而，水龍頭在單位時間內的出水量是固定的，下方既然流速快而流量又必須相同，那只能縮小水柱截面積才有可能。這種現象，在河川也常見，在河川寬處，水流速較慢，窄處則較湍急。其次，如果我們將水量開到最大，過半晌再急急關上，有時可以聽到水管內會傳來巨大的響聲，有時甚至使得水管強烈振動，這種現象稱為水

4、錘（water hammer）。這是因為水源源流出，但是前方出口突然封閉，使得後方水波向前推擠，大量集中，形成水流密度的異常升高。這種現象很像是超音速飛機在突破音速時，因為前方的聲波也就是空氣的密度波向前推擠，空氣密度在及小的區域內突然升到極高，能量都堆積在一處，於是造成很巨大的聲響，稱為音爆（sonic boom）。水錘的巨大能量會造成輸水設備的毀損，所以現代水管、水龍頭的設計都有防止水錘的裝置，辦法是在某些部位有儲存水量的空間，可以作為緩衝，如此就可減輕或避免水的密度驟然升到很高的程度。也因為如此，我們的實驗在現代化裝置的家庭中就很難進行了。調整水量，並靠近水柱去看，我們還可以看到水柱表面

5、有些微細的波紋，這些波紋的造成是由於水的內聚力，一般所說的表面張力就是水的內聚力和水與其他界面附著力競爭後所表現出的物理現象，由於水在細管中能夠逆著重力作用而上升的毛細現象也是同樣的原理，其中水對管壁的附著力大於水的內聚力，所以稱這種波為毛細波（capillary wave）或表面張力波。大約在長度1.74公分是個分界，以下毛細作用勝過重力作用，以上則是重力的天下。南唐馮延己詞風乍起，吹皺一池春水、宋朝蘇東坡詞夜闌風靜縠紋平中的微細波紋都是毛細波。另一種自然界常見的波是重力造成的，稱為重力波（gravity wave）。我們把石頭丟到水裡，激起水來，加上重力的向下作用，使得水面上下振動，就是一

6、例；月球的重力對地表海洋吸引，造成潮汐，也是重力波，只不過不是地表重力罷了。水柱的形狀，實際上是水的內聚力和重力競爭的結果，在長距離重力獲勝，所以我們看到上粗下細的水柱；但是在短距離，內聚力就佔上風。根據粗略的計算，大概在水柱截面積的四倍半左右，內聚力（表面張力）開始佔上風。我們都了解表面張力會使得液體的表面積盡量地小，而球形是所有體積相同的形狀中表面積最小的，所以我們可以把手指放在水柱正下方，逐漸把手指往上移，就會看到在水龍頭下方形成大約三個如珍珠般的水球，真是出乎想像！我們再觀察水在水槽中落下的行為，當水量適中、水流穩定時，我們可以看到落下的水會在水槽底部形成均勻的薄層，水柱落下處則是下陷

7、呈圓形。這樣的穩定流中，每個水分子大致循直線前進，彼此不相交錯，稱為層流（laminar flow）。如果我們急開水龍頭，那麼水槽底部形成的便不是穩定的水薄層，水柱下方也不會是下陷的圓形，出現的水層不均勻，水柱下方的凹陷則是不規則的。這樣的水流中，水分子前進路線是紊亂的，所以稱為紊流（turbulent flow）。水龍頭漏水，滴答聲終夜，常常令人難以入眠。原因在於水滴下落的時間間距並不是恆定的，而且全無規則可循，這樣的狀態稱為混沌（chaos）。週期性的現象，例如鐘錶的滴答聲，是沒有內容的反覆，容易讓人忽略或甚至催人入眠。但是混沌的水滴，時快時慢，無法預期，擾人心緒，也就難免了。水龍頭提供的是一個可以改變水流量的控制裝置，在水的內聚力和地表重力的作用下，呈現的卻是簡單而豐富的科學內涵。七、資料來源：.tw/answer/0303/030358.htm.tw/curr/curr