鴨子喝水(大型喝水鳥)

鴨子喝水(大型喝水鳥)

目的

一旦鴨子開始喝水,就會重複喝水的動作。這是為什麼?觀察裝置的結構及操作過程,思考其原理。

 

實驗

鴨子喝水是常見的科學玩具,其吸引人的地方在於:將鴨子的頭部(嘴喙)浸入水中後放手,鴨子回到平衡位置附近搖搖晃晃,不久後,又開始自動將頭部浸入水中,繼續喝水。過程可以不斷重複,非常有意思。

一般大小的市售版本[1]

為便於詳細觀測,本實驗室自製第三版大型喝水鳥。

本實驗室自製第四版大型喝水鳥。

 

原理思考

其實鴨子喝水是個熱力學過程,是將熱能轉為機械能的過程。為什麼可以這麼說?我們先作以下的觀察和思考:

1.鴨子的頭和身體分別是玻璃球,透過一根玻璃管連接。

2.將頭部浸入水中時,內部液體怎麼流動?

3.頭部濕了以後,溫度會下降還是上升?會怎麼影響氣體的壓力?

4.頭部浸水後放手,是什麼讓鴨子回到直立的狀態(進而搖晃)?鴨子的重心在哪裡?會因為液體的流動而改變嗎?

5.搖搖晃晃的過程有什麼作用?

6.鴨子的頭部(嘴喙)是什麼材質?會影響結果嗎?

7.內部液體是特殊的嗎?有什麼性質?水可以嗎?

 

鴨子直立時(略微前傾)是他的平衡狀態。將鴨子的頭部浸入水中,放開手,鴨子會因為重心在下方而回復直立狀態。 頭部的絨布材質因為浸濕的關係,使得頭部玻璃球裡的溫度降低(水份蒸發的過程將熱量由玻璃球帶走),低溫時液體的飽和蒸氣壓低,造成頭部玻璃球的氣壓低於肚子玻璃球的氣壓,所以肚子玻璃球中的液體因為壓力差被擠壓到頭部。 當有足夠多的液體被擠壓到頭部時,鴨子的重心移到上半部,當造成的力矩足夠大時,就會讓鴨子低頭。低頭後,身體接近水平,使得頭部與身體的玻璃球連通,兩邊的氣壓達成平衡,液體也由頭部流回肚子,此時重心又回到下方,所以鴨子又抬頭了。 搖晃的過程會加速水分從頭中蒸發的速度,進而使溫度下降,氣體凝結,壓力下降,加速液體上升。 由於以上的運作原理,填充在鴨子內部的液體必須要有容易凝結的特點(低沸點),如此才能在溫度略微下降的情況下有足夠的氣體凝結成液體,進而改變氣體壓力。所以一般填充的液體以高揮發性(低沸點)為主,例如“methylene chloride”(二氯甲烷), “ether”(乙醚)等。

 

討論

1.環境的濕度會影響鴨子重複喝水的頻率嗎?

2.水杯裡的水的溫度會影響鴨子重複喝水的頻率嗎?水冷些或熱些的影響是什麼?

3.鴨子可以重複喝水的動作,能量是哪裡來的?有沒有違背能量守恆定律?一般的單擺在擺動一段時間後也終會因為摩擦力而停止,為什麼鴨子不會?我們的確看到當鴨子搖晃的程度漸漸變小後,不一會兒怎麼又「自動」將頭伸入水中。這「神奇」的能量是哪裡來的?

 

關於實驗

1.此一版本的喝水鳥可在市面上購得,參考:松強企業,地址:台北市延平北路2段36巷10號,電話:02-27252238,傳真:02-2725-2303。大量採購單價可以低於台幣70元。國外網站亦有販售,但是是台灣製造出口,故價錢較高,約美金8元左右,參考:Edmund Scientific: The Famous Drinking Bird Pkg. Of 2

2.本實驗室自製之大型喝水鳥高約60cm,市售約20cm高。

 

參考資料

Edmund Scientific: The Famous Drinking Bird Pkg. Of 2 

 

製作

V.1 松強企業(市售版20cm高)

V.2 戴伯誠

V.3 曾助理

V.4 曾助理

 

指導老師

朱慶琪

 

撰稿

朱慶琪