2021年6月26日 星期六

冰的~親子科學課(3):#一秒結冰 #過冷水遇見凝結核


Swan ice shaver 極致鵝絨日式刨冰 · 鵝絨雪花冰

冰的~親子科學課(3)


#一秒結冰



#過冷水遇見凝結核


如果小孩對結果有期待,可以先幫他們作心理準備,說明實驗常有不如預期的時候,挫折傷心是正常的情緒,失望需要被好好惜惜,卻也是根據那些失落,我們能做後續調整,擁有不同旅程。科學,正是這一點一點的累積。

好長一段時間,身邊的小孩都對 Elsa 著迷(現在是彌豆子或蝴蝶忍),如果小孩還記得 Elsa 讓地板結冰的魔法,這個實驗肯定適合你家,就算對動畫沒興趣,光看液體瞬間變成固體,也有震撼的快感,而且步驟單純,又有冰沙吃~材料非常簡單:#一瓶純水或蒸餾水、#一瓶碳酸飲料。純水哪裡買?超商的礦泉水區就有名為「純水」的品項。

#第一個步驟(滑到最下方直接全步驟),將純水和飲料放冷凍約兩個小時,建議橫擺,據說可能受冷均勻?較易成功。如果孩子有冷凍的經驗,邀他猜猜看一般說來,飲料要凍多久開始結冰?又要冰多久完全結凍?如果孩子沒有冷凍的經驗,跟他一起拿一杯水去冷凍,觀察水的結冰從哪開始?表面還是裡面?水變成冰後,體積變大還是變小?我們習以為常的狀態,對幼兒來說可能很驚奇,我們習以為常的狀態,也實都蘊含著物理。

例如水從表面結冰,跟「#熱對流」有關(詳見親子科學課2)。而水結冰後,體積增加,是因為水分子隨溫度降低,從跑來跑去的自由活動,變成手牽手(氫鏈相連)的六角多邊形,這個狀態「撐大」冰的體積,如同小時候升旗,一聲「以中央伍為準,向前看齊」,整個隊伍突然變寬那樣。

冰的體積擴大,像房間變大,但水分子還是一樣數量,「房間」裡的「#密度」就相對變小,冰的密度變得比水小,冰就浮在水上(密度比水大的物品沉,反之則浮)。冰的這個特性,不只讓我們在炎熱夏天能有一杯光看就清涼的冰茶,更讓海底不至過冷(冰不會往下沉),使深海生物得以維持棲地。聊到這邊,你跟孩子已經從物理、談及地科、談及生物。

聊到這裡,如果你跟小孩對「密度」還有興趣(預計冷凍的兩個小時也還沒到),可以更進一步玩「#密度的遊戲」,先一起找出一些能被丟進水裡的東西,一字排開,推測誰浮誰沉,記錄下來,互相分享判斷的依據,通常大家傾向「重的東西浮,輕的東西沉。」接著,把東西扔進水中,比較結果和預期。

東西在水裡的浮沉,取決於密度,如果想證明跟「重量」無關,用「#小番茄跟大番茄」、「#兩顆橘子或柳橙」做實驗,會很有趣。小番茄跟大番茄比起來,大番茄那麼大又那麼重,一定是沉啊,小番茄那麼小又那麼輕,一定是浮啊。試試看,結果將讓全家大吃一驚。

再把一顆橘子剝皮,一顆橘子維持原狀,沒有皮的橘子當然比較輕,但兩顆同時入水,橘子浮著,剝皮的橘子沉了。

證明影響物品浮沉,關鍵不在重量。

玩到這邊,差不多要開冰箱了,純水跟可樂應該仍呈液態,或僅僅漂浮碎冰。溫柔地取出純水與可樂,舉起水瓶,用力搖晃或朝桌面敲擊,順利的話,液態水將瞬間結凍,視覺效果超好,如果沒有反應,多敲幾次,或再冰一會。
#為什麼會一秒結冰?像人暴怒,除了各種讓他毛毛躁躁的事外,往往有一根最後的稻草,水結冰,除了零度以下外,還需「凝結核」,如同被對齊的中央伍。凝結核可以是水的氣體或雜質,缺乏凝結核,零度以下的水不見得結冰,而零度以下未結冰的水,就叫「過冷水」。

所以,普遍用純水或蒸餾水來做一秒結冰的實驗,因為易形成不穩定的過冷水,而搖晃、敲擊等動作,即給過冷水予凝結核。

碳酸飲料呢?碳酸飲料出現碎冰之際,把它放在盆子或盤子內,再旋開瓶蓋,二氧化碳衝出,瓶中壓力陡然變小,瓶內開始結冰,你們會看到冰沙從瓶口不斷湧現。

#但一秒結冰需要運氣,例如純水我們大概凍了十次才成功(超不屈不撓),所以,如果小孩對結果有期待,可以先幫他們作心理準備,說明實驗常有不如預期的時候,挫折傷心是正常的情緒,失望需要被好好惜惜,卻也是根據那些失落,我們能做後續調整(例如增減冷凍的時間),擁有不同旅程。

科學,正是這一點一點的累積。

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░░一秒結冰術░░

✦實驗材料:純水或蒸餾水一瓶、碳酸飲料一瓶

✦實驗方法:
❶將純水和飲料放冷凍約兩個小時,建議橫擺。
❷兩小時後,溫柔地取出純水,舉起水瓶,用力搖晃或朝桌面敲擊,順利的話,液態水將瞬間結凍,如果沒有反應,多敲幾次,或再冰一會。
❸碳酸飲料出現碎冰之際,把它放在盆子或盤子內,再旋開瓶蓋,二氧化碳衝出,瓶中壓力陡然變小,瓶內開始結冰,冰沙從瓶口不斷湧現。

✦科學原理:過冷水、凝結核

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