PDF《科别：物理科》

科别:物理科 组别:国小组 作品名称:水龙卷 液体旋转运动液面和漩涡变化的研究 关键词:漩涡、漩涡拉力、双漩涡 编号:080103 学校名称: 台北板桥市埔国小 作者姓名: 陈依昕、郭维元、邱柏元、郑日安 指导老师: 柯文贤、黄静良 摘要 本研究是资优班独立研究课程的作品,结合五下科学探索课程中大气压力、白努利定理、 圆周运动等学习单元的概念,进一步探讨漩涡形成的原理和液体旋转运动时液面的变化,及 影响漩涡空气蕊直径大小与漏流速度快慢的变因.

同时发挥我们的创造力,亲自制作器材, 操作实验,设计出测量漩涡拉力大小的方法,观察双漩涡彼此相互推挤或牵引的现象,10 个 月的辛苦研究,我们收获丰富. 壹、研究动机: 暑假中,依昕参加表姊的喜宴,对餐桌转盘上的汤旋转时会溢出的现象感到疑惑,而日 安也对浴缸排水时,产生漩涡的问题存疑了很久,柏元对他每晚泡牛奶用的电动冲泡机产生 的空气蕊更是好奇,就在维元参加科学夏令营,带回一个又酷又炫的保特瓶水龙卷玩具,吸 引大家的目光时,我们就决定对这些现象做更深入的探究,作为本学期资优班独立研究的主 题,一探液体旋转运动时液面和漩涡变化的奥秘. 贰、研究目的: 探讨液体旋转运动的液面变化. 探讨大气压力对液体旋转运动漩涡形成的影响. 探讨漩涡形成的原理. 探讨影响漩涡大小、漏流快慢的变因. 漩涡拉力大小的测量. 双漩涡的探讨. 参、研究器材设备: 自制测量仪器:旋转测试台 (马达、回转速控制器)、简易压力计(5ml 针筒、L 管、塑胶软管)、 空气蕊直径测量仪(雷射笔、塑胶沟槽、升降支架),转桨(12V DC 马达、切 换式整流器、风扇叶片、竹筷)、双漩涡测试桶(内径 45cm 冰品专用大压克 力桶)、漩涡拉力测量器(60ml 针筒、大橡胶塞、原子笔杆、透明压克力桶). 其他器材:不同大小形状透明容器、1m 透明压克力管、不同大小孔径压克力片、大小 橡胶塞、小钢珠、量筒、量角器、保特瓶(含塑胶双接头)、测高纸条、PU 颗粒、保丽龙、投影片、塑胶水管(罩筒)、墨汁、沙拉油、沙拉脱、洗发 精、胶水、塑胶压克力接著剂、焊枪、热熔(胶)枪、钻孔机、线锯、电动 充气机、码表、三脚架、相机.

1 肆、研究过程:

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27 伍、讨论:

一、 容器不在转轴而在圆周上旋转,液面是向外倾斜的,而且上升很高,难怪餐 桌转盘上的汤会溢出,终於有了答案.

二、 液体旋转运动时,中心压力小,外围压力大,又受到大气压力、离心力等作 用力的影响,容易形成漩涡,经由实验推论,终於解开冲泡机产生空气蕊、浴 缸排水漩涡漏流等水龙卷现象的迷思.

三、 影响漩涡空气蕊大小和漏流速度的变因非常复杂,而且各个变因之间相互影 响,有时并不能以单一变项去解释.例如: 1.漩涡空气蕊直径大的,如果是因孔洞大的原故,则漏流很快;

但如果孔洞条件 相同,因水流旋转快速而使气柱变大,则漏流空间相对缩小,漏流速度反而变 慢了. 2.容器加压,空气蕊变大,漏流空间小,但因水流旋转下拉快速,漏流速度也更 快了.

四、 容器加压,空气蕊变大,漏流空间小,但因水流旋转下拉快速,漏流速度也 更快了.

五、 漩涡空气蕊直径大的条件归纳有:孔洞直径要大、原水位要低、容器筒身直 径小、水流转速快、液体黏鹊汀⒖锥床唤拥脊堋⒓友埂⑷萜鞑磺阈薄⒖锥 不偏心等.

六、 漩涡漏流速度快的条件归纳有:孔洞直径大、原水位高 (压力大)、容器筒身直 径大、水流转速慢、液体有点黏又不能太黏、孔洞衔接长排水管、容器稍倾斜 等,只要能使空气蕊直径小一点,增加液体漏流的空间和拉力,就可使漩涡漏 流的速度更快.

七、 实验中发现长导管可使排水速度更快,所以楼层越高,在排水方面应该是更 有利的.

八、 在湖泊、溪流遇到小漩涡可别大意,因为空气蕊直径小,水流下拉的力量反 而很大.遇到旋转快速的大漩涡则要小心会被吸引过去.

九、 双漩涡出现后会有相互推挤或牵引的现象,难怪气象报告有双台合并等的预 测报导. 陆、研究结论:

(一) 容器在转轴上旋转,液面中心是向下凹陷的抛物曲面,外围液面则上 升;

而容器在转盘圆周上旋转,液面是向外倾斜的. 1.容器的直径越大、与转轴的距离越远、转速越快,则离心力越大,水 向外抛的推力更大而使液面上升或倾斜斜度更高. 2.比水黏却蟮囊禾,旋转后液面上升高度都比水高,但太黏囊 体(如胶水)分子间互相牵引,液面上升高度并非最高. 3.容器内原水位高度不同,不影响旋转后液面上升的高度. 4.容器放在圆周上,启动转盘,液体不会旋转;

固定在转轴上,液体会 旋转,马达停止后,液体仍会因惯性而维持短暂旋转,容器越接近圆形, 旋转时间越长.

(二)1.用连接器接连水瓶与空瓶做水旋转试验,不论水瓶或空瓶,只要任意 开一个洞,漩涡气柱形成的时间就会比完全密闭的还快,证实水旋转后 受大气压力挤压,更容易产生漩涡气柱漏流.

28 2.容器旋转后急停,漩涡气柱漏流形成的时间更快.

(三) 漩涡形成的原理 1.水流旋转时,旋转中心压力小,外围压力大,旋转停止后,水流向 中心集中后上升再往下沉,容器中的颗粒会集中底部中央. 2.水流旋转后孔洞漏流,因旋转中心压力小,气流由孔洞下方中心随 上升水流向上冲,与水面的大气相互挤压贯穿,形成空气蕊,水流则 由洞口边缘持续成伞状螺旋旋转而下.

(四) 影响漩涡大小、漏流速度的变因归纳如下: 1.孔洞直径越大,漩涡空气蕊直径也越大,漏流速度越快. 2.漩涡空气蕊直径, 会随著漏流水位的下降而逐渐缩小;

水位越低, 水压越小,漏流速度越慢. 3.原水位高度越高,比低水位形成的漩涡下降到同一高度时的空气蕊 直径还小,漏流空间相对越大,漏流速度越快. 4.容器筒身直径越小,水位下降至同一高度的空气蕊直径越大,漏流 空间越小,漏流相同水量后的水位越低,漏流速度越慢. 5.转桨转速越快、旋转时间越长,水流旋转越快,空气蕊直径就越大, 相对漏流空间越小,漏流速度反而越慢. 6.液体黏仍降,则空气蕊直径越大,漩涡漏流速度越慢;

太黏稠 的液体(如100%胶水)很难形成漩涡,漏流速度也非常慢. 7.漏流孔洞衔接长导管,漩涡空气蕊直径明显缩小,水管越长,管中 水量越多,下拉的力量更大,漏流速度越快,尤其没有漩涡的直接漏 流,速度更快. 8.容器加压越大,空气蕊直径扩张得越大,但因压力加速漩涡的转速, 漏流的速度不因空气蕊的变大而减慢,反而更快. 9.容器倾斜会使空气柱偏斜或中断,倾斜角度越大,空气柱下拉的长 度越短.容器倾斜时,漏流速度比不倾斜更快. 10.漏流孔洞偏心距离远的,拔塞后不能立即形成漩涡,等水位下降到 接近底部时才出现空气柱,偏心越远,出现空气柱的水位高度越低.

(五) 漩涡拉力大小 的测量 1.我们利用针筒活塞下拉法及负压吸水喷泉法,可以成功的比较漩涡 下拉力量的大小. 2.漩涡转速越快,空气蕊直径越大,则漩涡向下拉力反而越小,活塞 下拉时间越长,喷水高度越低.

(六) 双漩涡的探讨 1.同向旋转时,漩涡水流会对撞而快速消失;

逆向旋转,只要漩涡距 离不要太近,双漩涡就能持续不中断. 2.同向旋转时,慢漩涡会被快漩涡推开后消失;

逆向旋转时,慢漩涡(压 力大)会向快漩涡(压力小)偏斜靠拢;

转速相差越大,推开或靠拢的速 度越快,双漩涡持续并存的时间就缩短. 3.漏流孔洞大的大漩涡,水流下拉力量更强,转速更快(压力小),会使 小漩涡(压力大)向大漩涡靠拢或偏斜.

29 柒、参考资料

(一) 奇妙物理入门 P109~113 福岛肇 著 国际村文库书店有限公司.

(二) 中山自然科学大辞典 第四册 物理学 P

268、269.

(三) 第38 届全国科展国小组优胜作品专辑 P46~55.

(四) 光复科学图鉴 第四册 P155~156.

(五) h t tp://www.ntsec.gov.tw/39/mschool/39-1-1.htm

(六) http://www.csghs.tp.edu.tw/teach/tause19.htm

(七) http://www.hko.gov.hk/wservice/tsheet/tsf/warc.htm

(八) http://iai.edu123.com/phy/phy-07/phy-0701/heat/html/c+25+50.html

(九) http://kids.yam.com/foot/brain/opinion/right.php3?st=14

30 评语 所选的题目并不是一个可以简单呈现的题目,但学生可以将如此复杂的题目用简易的巧 思设计一系列的工具来研究十分难得.这份研究的数砑肮ぞ呱杓贫贾档眉涡.在测量 部份,有许多创新的杰作. 在口试问答的时候,学生们表现的非常有自信,对各项原理也了解得十分透澈.我们也 看到学生快乐地研究的精神,这部份更是难得. 31 ........