冰糖水葫芦-水流速与葫芦状水型成因的探讨

冰糖水葫芦-水流速与葫芦状水型成因的探讨 --- 本實驗爲了測出流速與水的內聚力和葫蘆型水形狀的關係，我們用水桶以及水龍頭相 接，並在捅內刻入刻度。首先，我們測量水的流速，以便得知水的高度對流速的影響，得知 當水量很多的時候，水高度的差異對水流速的影響並不大，但是爲了實驗的精準，我們還是 在做實驗時邊加水，盡量使其刻度維持一定的範圍，接著，進入主題。將玻璃棒固定在相同 的高度，將水流向玻璃棒的中央部份，測量產生水葫蘆時的最低流速，流速的測量方式採用 水流出每300c.c.所花費的時間來做判斷。 測完後再以不同的阻隔物以同樣流速，測其產生水 葫蘆時的高度，以此兩點做為實驗依據。 古人雖然沒有機械表，但是卻可利用太陽與月亮或其他星體的相對運動來了解四季的變 化，但是缺點便是無法準確測量更小的時間單位，如一分鐘甚至一秒鐘，在這樣的情狀之下， 古時的中國人想到利用水流的大小製作出水運儀像台，類似今日的機械鐘。水運儀像台結構 中不帶任何現代化的機械卻可以準確的報時，我們發現帶動整個水運儀像台其中一個很重要 的因素便是利用水在相同的高度所流出的水量是固定的，但是我們卻有一些疑惑的地方？針 對水塔的高度對於水的流速是否有關係，於是我們便利用課餘時間來做論與實驗。 而我們在做水的高度對水的流速影響之時偶然發現，如在水流的下方放上一物品，在特 定的距離之下，水流與物品當中會產生如葫蘆般的連續形狀，於是我們再進一步來研究葫蘆 狀水柱的產生因素，並做成科展與大家分享。 ㄧ、探討不同的水的高度對水的流速的影響？ 二、探討不同的粗細的出水孔洞對水流速的影響？ 三、探討採用大型水箱不同水龍頭開關口徑大小對水流速的影響？ 四、探討物體在不同的高度下，水的流速對於產生葫蘆狀水型的條件？ 五、探討在相同水流速下，放上不同形狀的物品產生葫蘆狀水型的條件？ 600CC 2000CC () 1 一、先準備600?和2000?的寶特瓶，在底部同ㄧ水平上打洞並裝上不同粗細的水管。 二、接著將寶特瓶裝滿水並畫上等距間格，將水從1800?的高度開始放水，每200?測 量一次時間，並記錄下來。 三、換上600?的寶特瓶再作一次，並記錄。 四、將寶特瓶底部換上不同粗細的水管，再依步驟一至三重新實驗，並紀錄下來，比較 水管租細對水流的關係。 五、我們採用一個較大的水桶，並在上方持續加水利用連通管原理以保持水面的高度相 同，在水桶下方裝水龍頭，利用旋轉水龍頭的開關，以便來量測不同開口不同流速 下，對水流下相同高度的玻璃棒產生水葫蘆形狀的原因。 六、再來我們固定相同的水流速，水流下放上不同的形狀的物體，測量一旦產生葫蘆型 水流時的並記錄。 2 實驗ㄧ： 一、實驗目的：研究不同水的高度對水的流速的影響 二、實驗器材： 60200( ) 三、實驗步驟： (一)先把寶特瓶(600?)以100?和寶特瓶(2000?)200?做為刻度單位，用簽字筆標出。 (二)將寶特瓶加水到刻度的最上層。 (三)讓水從水管流出，當水每流出200?（200?寶特瓶）與100?（600?保特 瓶），測出每一段水流的時間，再比較之間的關係。 四、實驗數據： （一） 2000?水瓶、小塑膠管(直徑0.6?) 實驗ㄧ 實驗二 實驗三 實驗四 平均（秒） 水量多寡 時間 （水的高度） 1800~1600? 7.27 7.03 7.44 7.08 7.205 1600~1400? 6.01 6.02 6.37 6.35 6.188 1400~1200? 6.93 6.97 7.02 6.96 6.97 1200~1000? 7.53 7.51 7.51 7.61 7.49 3 1000~800? 8.77 8.90 8.65 8.8 8.78 800~600? 9.5 9.55 9.53 9.71 9.5725 600~400? 11.27 11.11 11.39 11.16 11.2325 18 400~200? 15.74 15.95 15.55 15.65 15.7225 16 14 12時間 10 8 6 4 2 0 1800~1600cc 水量 1600~1400cc 1400~1200cc （二）600?水瓶、小塑膠管(直徑0.6?) 1200~1000cc 實驗ㄧ 實驗二 實驗三 實驗四 平均（秒） 1000~800cc 800~600cc水量多寡 時間 （水的高度） 600~400cc 500~400? 1.41 1.54 1.52 1.51 1.4950 400~200cc400~300? 1.43 1.47 1.44 1.41 1.4375 6300~200? 2.39 2.37 2.45 2.45 2.415 200~100? 2.59 2.65 2.58 2.64 2.63 5100~0? 4.76 4.73 4.75 4.96 4.8 4 3 2時間 1 0 500~400400~300300~200200~100100~0 水量4 五、討論： 在這次實驗中我們發現，當水中的高度越高時，要流出相同的水量所花的時間越短，也 就是說水的流速越快；而當水中的水位越低時，流出相同的水量，所需的時間越長，水流速 越慢，而且200~100到100~0所需時間落差最大400~500以上差別極微小，也就是說當保特瓶中水的高度越高時，水的流速上相同，我們大膽推測，超過它的一定高度，流出相同水量 所需要的時間是相同的。 我們以上的整理是： ( () 實驗二： 一、實驗目的：探討不同的粗細的出水孔洞對水流速的影響？ 二、實驗器材： 2000?() 三、實驗步驟： (一)把三個相同的寶特瓶(2000?)各在底部打一個洞。 (二)在各放入三種的水管(大、中、小)，用熱熔膠糊住，以防止水滴流出。 (三)把三個寶特瓶(大、中、小)水流過每一段的時間都記錄下來。 (四)分別比較水孔大小與實驗的關係和水的高度變化。 5 四、實驗數據： 水量：1800?到1600cc 實驗ㄧ 實驗二 實驗三 實驗四 平均（秒） 時間 2000cc水瓶 小塑膠管 7.27 7.03 7.44 7.08 7.205 8 中塑膠管 2.66 2.51 2.52 2.64 2.5825 大塑膠管 0.82 0.85 0.80 0.81 0.82 7 6 5 4 3 所需時間 2 1 0 小塑膠管中塑膠管大塑膠管 6 水量：1600?到1400? 實驗ㄧ 實驗二 實驗三 實驗四 平均（秒） 時間 2000cc水瓶 小塑膠管 6.01 6.02 6.37 6.35 6.188 中塑膠管 2.5 2.52 2.38 2.36 2.44 大塑膠管 0.73 0.71 0.69 0.73 0.715 7 6 5 4 3所需時間 2 1 0 小塑膠管中塑膠管大塑膠管 五、討論： 在實驗前我們首先推論，在相同的水高度下如果水管的孔徑越小，水壓越大，流速越快， 但實驗後我們卻發現，如果在相同的水面高度差之下（也就是流出相同的水量），水管的口徑 越大的，流出相同水量所花得時間越短，也就是說水的流速越快，這跟我們當初的假設有點 出入，因此我們推論影響水流速，水管口徑影響的因素比水面高度影響因素更大。 實驗三： 一、實驗目的：研究大水桶在水龍頭不同旋開（口徑大小不同）程度下，水的流 速討論？ 二、實驗器材： 三、實驗步驟： (一)先用電悍器把大水桶弄一個洞。 (二)把水龍頭塞進去，用熱熔膠糊住防水流出來。 (三)再將每一公分為單位畫出間隔，測出每單位水量需花多少時間流出。 (四)再比較水龍頭開關的大小有無影響水的流速。 7 8 四、實驗數據： 測量的高度與時間 水龍頭全開 實驗ㄧ 實驗二 實驗三 實驗四 平均 （秒） 時間（秒） 公分高 22~21 64.13 76.13 75.14 75.26 72.665 21~20 82.26 79.90 80.34 81.32 80.955 20~19 75.34 78.66 82.54 76.42 78.24 19~18 79.79 79.90 79.64 80.32 79.9125 18~17 82.80 76.33 82.78 83.54 81.3625 17~16 85.35 82.76 83.65. 82.54 83.55 86 84 82 80 78 所花時間 76 74 72 70 68 66 22~21 21~20 20~19 19~18 18~17 17~16 水面高度 水龍頭半開 實驗ㄧ 實驗二 實驗三 實驗四 平均 （秒） 時間（秒） 公分高 22~21 77.25 75.14 76.36 76.53 76.32 21~20 82.13 83.54 82.53 82.65 82.7125 20~19 82.37 82.01 82.42 82.87 82.4175 19~18 85.32 86.15 85.34 84.59 85.35 18~17 82.21 86.03 85.37 84.84 84.6125 17~16 85.31 84.34 85.93 88.46 86.01 9 88 86 84 82 80 78 所花時間76 74 72 70 22~2121~2020~1919~1818~1717~16 水面高度 水龍頭微開 實驗ㄧ 實驗二 實驗三 實驗四 平均 （秒） 時間（秒） 公分高 22~21 82.23 82.48 82.45 82.65 82.4525 21~20 85.17 84.80 85.78 85.12 85.2175 20~19 88.40 88.12 87.47 87.56 87.8875 19~18 90.12 86.26 88.67 89.34 88.5975 8818~17 86.76 89.97 89.37 90.76 89.215 17~16 92.50 88.63 92.67 93.81 91.9025 86 84 82 80 78 76所花時間 74 72 70 22~2121~2020~1919~1818~1717~16 水面高度 10 水面高度 21~20 20~19 19~18 時間（秒） 口徑大小 水龍頭全部轉開 80.955 78.24 79.9125 水龍頭轉開一半 82.7125 82.4175 85.35 水龍頭稍微轉開 85.2175 87.8875 88.5975 五、討論 我們從以上的實驗得知，如果採用較大的水桶來作為水量的提供來源，則當水面的高度 逐漸下降時，每降低1公分的高度，所消耗的時間隨會逐漸增多，但是我們發現其差異性並 不會太大也就是說相差的時間並不會太大。 但是當我們把水龍頭的開關控制在三個大小不同的旋轉程度（有全部旋轉開、旋開一半 與稍微轉開），就會發現和前面的實驗ㄧ的狀況一樣，當水孔口徑越大時（全部旋轉開），流 出相同的水量，所需的時間就越短，水孔越小時，要流出相同水量所需的時間就越長，所以 水龍頭口徑越大其流速便會越快。 11 實驗四： 一、實驗目的：探討物體在不同的高度下，水的流速對於產生葫蘆狀水型的條件？ 二、實驗器材： 三、實驗步驟 (一)先把玻璃棒固定在水龍頭的下方2公分處。 (二)在形成水葫蘆狀的最小水量。 (三)測水流量至300cc時看秒數。 (四)再把玻璃棒下移0.5cm至2.5cm處。 (五)再重複第二步驟和第三步驟。 (六)在把玻璃棒下移0.5cm至3cm處。 (七)再重複第二步驟和第三步驟。 (八)最後把數據比較這兩者有無關係。 四、實驗數據： 產生葫蘆型水型時，測量水流出300?所花的時間 玻璃棒在實驗一 實驗二 實驗三 實驗四 實驗五 實驗六 平均 水龍頭下（秒） 距離 2cm 52.51 50.51 52.12 54.68 52.67 50.48 52.2 2.5cm 84.13 79.86 82.29 82.22 82.50 82.13 82.2 3cm 153.78 163.75 179.98 164.97 165.00 169.61 166.2 12 180 160 140 120 100 80 60 所花時間40 20 0 2cm2.5cm3cm 相差高度五、討論： 由於我們想測量出在不同的高度時，對於形成水葫蘆的條件是如何，所以我們首先固定 玻璃管與水龍頭的相差高度，利用改變水龍頭的開關的大小，來找出在何時會產生葫蘆狀 水型的水流速。困難的是，要找出形成的最小的水量需花費許多的時間和不斷改變水龍頭 的開關大小來找出當葫蘆狀水型產生時的最小流速，因為如此，所以需要一整天才能完成。 從實驗中我們發現，相較之下，當高度相差2公分時，要產生葫蘆狀水型，則流出300 ?的水量所需時間最少，也就是說水的流速越快，而兩者高度相差越多，則要產生葫蘆狀 水型的水流便越慢； 總結： 一、 當玻璃棒與水龍頭的高度相差越多，則要在兩者之間產生葫蘆狀水型的水流速就要 越慢越細 二、 當兩者的高度相差越短，要產生葫蘆狀水型的水流速就越不需要太慢或水流太細 實驗五： 一、實驗目的：探討在相同水流速下，放上不同形狀的物品而產生葫蘆狀水型的條件？ 二、實驗器材： 三、實驗步驟： (一) 把不同的阻隔物(直尺、正方體、玻璃棒)分別放置在水龍頭的下方。 (二) 在相同水流速下，產生葫蘆狀水型的臨界點高度。 (三) 再來改變水的流速，測出出現水葫蘆的臨界高度。 13 14 四、實驗數據： 流水量300cc (所花時間27.395秒) 產生葫蘆型水狀出現長度 平均 實驗一 實驗二 實驗三 實驗四 實驗五 實驗六 （公分） 圓形 皆無產生葫蘆水形狀 平面 1.8 1.7 1.7 1.9 2 1.8 1.8 菱形 3.1 2.8 2.9 3.2 2.9 3.1 3 流水量300cc (所花時間65.37秒) 產生葫蘆型水狀出現長度 平均 實驗一 實驗二 實驗三 實驗四 實驗五 實驗六 （公分） 圓形 2.4 2.7 2.6 2.4 2.5 2.5 2.5 平面 3 3.4 3.3 2.8 2.7 2.8 3 菱形 3.7 3.6 3.9 3.6 3.5 3.8 3.6 流水量300cc (所花時間201.60秒) 產生葫蘆型水狀出現長度 平均 實驗一 實驗二 實驗三 實驗四 實驗五 實驗六 （公分） 圓形 5.7 5.8 5.6 5.6 5.9 5.7 5.7 平面 5.2 5.4 5.1 5.1 5.2 5.2 5.2 菱形 6.3 6.5 6.7 6.3 6.1 6.1 6.3 五、討論 我們在實驗中發現，當水的流速固定時，不同的阻隔物其產生葫蘆狀水型的高度便不一 樣：阻隔物為菱形時，其產生葫蘆狀水型的高度相差愈大，而如果阻隔物為圓形物體的話， 產生葫蘆狀水型，則就要把兩者的相差高度縮短，所以在相同的水流速之下，產生葫蘆狀水 型的容易程度是菱形＞平面＞圓形，因此我們推論出阻隔物是會影響水葫蘆的條件。 而且我們在實驗中也發現當流水量越慢，越容易產生水葫蘆，出現長度越長；流水量越快， 越不易產生水葫蘆，出現長度越短。但是水不能形成斷斷續續的水滴狀，否則無法出現。 我們把水龍頭的口徑分成三段，水流速各不一樣，當水的流速越快，則如要形成葫蘆狀水 型的話，兩者之間相差的高度就要越短；反之，如水流速越慢，則兩者之間相差的高度就越 長。 在以上的實驗中我們可以歸類如下 ： 一、水面的高度對於水的流速會有所影響，高度越高水的流速便會越快。 15 二、如果在相同的水面差，底下的水管孔徑大小就決定了水的流速，孔徑越大水的流速越快 三、總結實驗一與實驗二發現，水高度影響水流速的條件變因比不上水管孔徑對水的流速影 響條件。 四、如果採用較大的水源當作來源的話，則水面的高度差對於水流速的影響因素就影響不 大，因此水流速的大小就完全取決於水管的口徑大小。 五、固定水面下阻隔物的高度，要產生葫蘆狀水型的條件是，水的流速越慢越好，越細越看 的清楚。 六、當阻隔物為不同的形狀時，要產生葫蘆狀水型的條件是：物體的形狀是菱型的話，是最 容易產生與觀察，並且當產生時高度差為最大。 我們發現只要水面高度和水孔的孔徑大小不改變的話；水流速是一樣的，而我們動機所 寫的問題因此獲得解決；因此沒有機械表的時代可以用此來解決時間的問題。 我們日常生活中發現，水葫蘆的出現，需要特定的狀態下才能形成，如水滴需要連續的 流、水流速不能太強等等。有時候我們在灑水時，會習慣性的把水管口壓小一些，雖然這個 可以把水灑到較遠的地方，但是水量會減少許多；所以我們需要讓它自然的流，出水量會多 一些。而第五個實驗結果中菱形的出現高度是最長的，不管水量的是多是少，皆維持最長的。 我們發現水流速越快，越產生水葫蘆；水流速越慢，越容易產生水葫蘆。而出現長度 也跟水的流速有關。流速越快，出現長度越短；流速越慢，出現長度越長。 在此實驗中，我們覺得是不是我們還可以利用改變水流落在阻隔物不同的地方與角 度，再來探討是否也是影響葫蘆狀水型的條件？這似乎可做為下一次實驗的目的與方向。 一、自然與生活科技第四冊、南一出版社、p.98~p.101、93年2月 二、自然與生活科技第二冊、康軒出版社、p.60~p.62、92年9月 三、绪德三、生活中的實用物理、龍騰文化、p.96~p.97、91年10 四、休伊特、觀念物理I、天下遠見出版社P112~p114、2001年6月 16