拯救温度计.docx
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拯救温度计
1、摘要
本實驗主要的目的在利用拯救斷水的溫度計的過程，探討溫度計的原理，和課本的原理對照，並且可以知道課本沒有提到的因素。
在實驗過程中，我們發現溫度計除了毀壞而無法使用外，還有看似完好的溫度計也無法正常使用，經過我們歸納得到的因素有：
溫度計表面刻度剝落、溫度計中水銀柱或酒精柱斷節的現象。
我們針對這兩項問題，嘗試各種方法，最後得到
●溫度計上所畫刻度的是使用耐酸鹼且不溶於一般溶液的顏料。
●玻璃管柱做成圓的具有放大的功效。
●酒精溫度計所使用的酒精不是純酒精。
●部份酒精柱斷節的溫度計，加熱到將近溫度計玻璃柱的頂端（未碰到頂）時會從酒精球泡部份爆裂。
●以電子式溫度計做標準校正時，好的酒精溫度計與斷水的酒精溫度計所畫出的圖形均是一次一元方程式，但常數項差異甚大。
●斷節的酒精柱可以利用加熱法救回。
2、研究動機
在上第五章進行實驗時，做到有關加熱及測量溫度的部份，必須用到溫度計。
但是，每每實驗做到一半時，就會發現溫度計讀數怪怪的，不是遠低於室溫，就是超過100°C，拿給老師看，老師就說溫度計壞了。
溫度計壞了，不是斷掉或玻璃球部份破裂嗎？
一枝看起來好好的溫度計，哪裡壞了呢？
仔細看看才發現，喔~，原來是溫度計中間有斷節的現象（如圖一）。
雖然不知道為什麼酒精柱會斷節，但是發現將這些斷節溫度計在加熱時，酒精柱還是會有上升的現象。
（理化第五章）所以我們認為可以利用加熱或者其他的方法，讓溫度計斷節的部份連接起來，於是我們便開始拯救溫度計的偉大工程。
（圖一）溫度計斷水
既然要拯救溫度計，就要設定工作流程（理化第零章），我們經過思考與討論之後，決定第一件工作就是整理溫度計。
先收集本校所有的溫度計，加以份類，編號及觀察溫度計的構造（理化第四、五、六章），發現溫度計中酒精柱是很細小的，但是我們可以看到放大的酒精柱；而且根據壓力這章節所教的內容，在加熱過程中，溫度計內部的壓力應該會上升等等現象。
因為想要多方面收集實驗的進行方向，所以設計了一份問卷，發給所有任教自然科的老師，希望他們能夠提供研究的方向。
然後向導師請示，是否可以利用午休時間開始進行拯救溫度計的大作戰。
參、研究目的
本實驗目的為
1、拯救本校實驗室中受損的溫度計。
2、觀察溫度計，印證理化課本中的原理。
3、歸納溫度計的必要條件。
4、利用課文所教知識，嘗試份析酒精溫度計中酒精成份。
5、校正正常溫度計與斷節溫度計的刻度。
6、訓練使用實驗室的器材。
7、熟用電腦程式Word跟Excel。
肆、研究設備器材
溫度計、電子爐、鐵鍋、燒杯、沙、水、尺、李必氏冷凝管、燒瓶、紙、筆。
伍、研究過程或方式
1、溫度計份類：
（1）將所有溫度計分組，分成水銀溫度計，酒精溫度計兩組。
（2）溫度計分成好的及壞的兩大類
（3）將好的溫度計編號，紀錄溫度計的特徵。
（4）觀察壞的溫度計的受損原因，紀錄。
2、問卷調查
（一）建立問卷
1.觀察溫度計、討論溫度計的毀壞原因。
2.將討論的結果擬成電腦稿子，並且製作溫度計的圖片。
3.列印問卷並份送各自然科老師。
（二）回收問卷
1.在時間內訪問各個老師，回收問卷。
2.整理問卷。
3.根據問卷內容調整實驗內容。
3、拯救溫度計
（一）刻度不明：
1、因為溫度計本身有刻痕，所以我們選取各種顏料填入隙縫中。
2、用蠟筆填入隙縫中
3、將上個步驟的溫度計放入熱水中，觀察塗上蠟筆的溫度計在熱水中的變化。
4、將顏料改用碳粉末，重複步驟2、3
5、將顏料改用立可白加碳粉末，重複步驟2、3
6、將顏料改用油漆，重複步驟2、3
（二）、酒精柱斷節：
我們採用加熱法、離心力作用及重力作用等三個方法。
使用加熱法是因為酒精受熱時膨脹，而斷節部份也會隨溫度縮短，所以就想使用加熱法；而離心力法是因為體溫計的聯想；重力法是因為有一支斷水溫度計在靜置過程中居然回復正常，所以加以採用。
因考慮到水銀溫度計在高溫破掉時，水銀會快速蒸發，水銀蒸氣會使人有中毒的危險性，所以此部份實驗只針對酒精溫度計。
並且考慮酒精溫度計破掉時，會造成酒精外漏，所以配戴口罩作實驗。
1、加熱法（酒精溫度計）
（1）用水加熱，利用電磁爐作為加熱的器具，使用鐵鍋裝水。
（2）因為水的沸點最高只到100℃，所以選取溫度範圍最高50℃的酒精溫度計，置入鐵鍋中加熱，注意使溫度計不要碰到鐵鍋底部。
（3）觀察紀錄酒精柱及空氣柱斷水情形。
（4）用沙子加熱，利用電磁爐作為加熱的器具，使用鐵鍋裝沙子。
（5）因為加熱沙子可達到200℃以上，所以將其他測量範圍較高的酒精溫度計，拿到裝沙子的鐵鍋加熱。
（6）觀察紀錄酒精柱及空氣柱變化情形。
2、離心力作用：
若加熱法無法使斷節的部份復原，就嘗試用
離心力作用。
（1）手要緊握遠離酒精球的部份，用力向下甩。
（2）實驗時，不可嬉戲，以免造成危險。
（3）甩動數十次後，觀察溫度計中斷節部份是否縮短。
3、重力作用
（1）將溫度計斜放，酒精球泡與水銀球泡在底端。
（2）靜置一段時間，觀察溫度計中斷節部份是否有縮短或是否有溫度計回復正常。
4、溫度計內容物之性質探究
在進行加熱法與離心力法時，發現幾個有趣現象，包括斷節部份有空氣的現象、酒精泡破裂時，酒精氣味和平時酒精燈中的酒精氣味相差甚多等等。
引發我們除了拯救溫度計之外，開始嘗試研究酒精燈的性質。
（一）空氣柱實驗：
在加熱法部份，酒精柱的斷節部份明顯有氣體存在
1、選用5mm及3mm粗的塑膠管作為玻璃管柱的模型，用水加紅色顏料作為熱脹冷縮的液體。
2、
把塑膠管插入橡皮塞，燒瓶內裝紅墨水，用塑膠管吸取紅墨水做一個空氣柱。
3、塑膠管頂端封住，採用隔水加熱法，放一支電子式溫度計作為標準，然後開始加熱並觀察空氣柱的長度變化，
4、以電子式溫度計為準，每5℃紀錄1次空氣柱長度。
5、加熱到70℃後，就放入冷水中觀察空氣柱的長度。
6、此實驗須注意安全，若被水蒸氣燙傷或有怪異現象，應停止加溫並遠離，以小火加熱較安全。
7、最後比較5mm及3mm塑膠管的空氣柱水溫度變化情形。
（2）黏滯性比較
水溫度計實驗進行時，發現空氣柱並不容易製造，而有比較溫度計內容物的性質的想法。
在找原理時，發現液體有所謂毛細現象，所以進行黏滯性比較。
因為考慮液體是否容易取得，所以選用水與酒精兩種液體，再則考慮溫度計中管柱的影響，所以選用三個不同粗細管徑作為實驗比較器材。
1、用吸管將工業用酒精滴入5mm的塑膠管中，製造大約1㎝高的空氣柱，觀察空氣柱上端的酒精柱變化情形。
2、用吸管將工業用酒精滴入3mm的塑膠管中，製造大約1㎝高的空氣柱，觀察空氣柱上端的酒精柱變化情形。
3、用吸管將工業用酒精滴入斷掉的酒精玻璃管中，製造大約1㎝高的空氣柱，觀察空氣柱上端的酒精柱變化情形。
4、用吸管將水滴入5mm的塑膠管中，製造大約1㎝高的空氣柱，觀察空氣柱上端的水柱變化情形。
5、用吸管將水滴入3mm的塑膠管中，製造大約1㎝高的空氣柱，觀察空氣柱上端的水柱變化情形。
6、用吸管將水滴入斷掉的酒精玻璃管中，製造大約1㎝高的空氣柱，觀察空氣柱上端的水柱變化情形。
（三）檢驗酒精溫度計中的酒精
1.
準備李必氏冷凝器、圓底燒瓶、加熱裝置、長的軟塑膠管、橡皮塞、溫度計。
2.進行前要先戴口罩。
3.在研缽中將酒精玻璃球部份敲碎，用滴管吸取酒精，放到燒瓶中。
4.將實驗裝置如右圖
5.加熱觀察燒瓶中酒精的變化，及溫度計的變化。
6.觀察是否有收集到冷卻的液體
（四）估計酒精的密度
1.準備微量天秤，準備小燒杯，內裝10毫升的水。
2.將酒精溫度計的酒精球部份放入水中，觀察微量天平增加的質量，根據浮力原則，微量天平增加的質量就是酒精球部份所承受的浮力。
因為浮力等於酒精球體積乘以水的密度，所以酒精球和玻璃部份的體積即可得到。
3.先用「微量天秤」測量溫度計的質量，再測濾紙的質量，將溫度計酒精球部份包在兩片濾紙內敲碎，敲碎後，將其置於密閉的櫃子；也測量玻璃柱部份的質量。
4.一天後，把整個濾紙取出，用微量天秤測其質量，並減掉兩片濾紙的質量，就是酒精球玻璃部份的質量。
5.因為酒精球部份的玻璃在水中會沉到底，測不到體積，所以我們用一般玻璃製品來測玻璃的密度，用「V=
M/D」算出酒精球玻璃體積。
6.將酒精球的體積減掉玻璃的體積可以算出內部酒精的體積。
7.把溫度計的質量減掉玻璃柱及酒精泡玻璃球的質量，就可以計算酒精泡中酒精的質量。
8.將步驟3的數據除以步驟6的數據，就可以得到酒精的密度。
五、溫度計校正
我們進行實驗時，發現有些溫度計實在是無法救回，但是因為斷節溫度計仍然會隨溫度升降，因此我們採用電子式溫度計作為校正溫度計，將電子式溫度計與酒精溫度計放在同一杯水中，但不接觸杯底，比較這二者溫度計的變化情形。
（一）好的酒精溫度計
1.將酒精溫度計與電子式溫度計放入冰水中，測量兩個的溫度。
2.準備電磁爐、鐵鍋、將全部的溫度計放在一旁，鐵鍋裝水，準備加熱。
3.加熱時，用最小溫度加熱，懸吊電子式溫度計及酒精溫度計避免接觸鐵鍋底部。
4.以電子式溫度計為標準，測量酒精溫度計的變化。
5.重複測量其他的酒精溫度計
（二）斷水的溫度計
1.將酒精溫度計與電子式放入冰水中，測量兩個的溫度。
2.先準備電磁爐、鐵鍋、將全部的溫度計放在一旁，鐵鍋裝水，準備加熱。
3.加熱時，用最小溫度加熱，懸吊電子式溫度計及酒精溫度計避免接觸鐵鍋底部。
4.以電子式溫度計為標準，測量酒精溫度計的變化。
5.重複測量其他的酒精溫度計
6.酒精溫度計份成2種溫度，為了避免酒精溫度計破掉，所以溫度在50度的溫度計們溫度校正到40度，溫度到100度的我們測量到70度。
陸、實驗結果
一、溫度計份類：
溫度計總共份成2大類（酒精、水銀）編號份成R、A、Z、B。
R是好的水銀溫度計
A是好的酒精溫度計
Z是壞的水銀溫度計
B是壞的酒精溫度計
（一）好的酒精溫度計狀況如下
編號
溫度範圍
刻度長（㎝）
酒精球長度狀況（㎝）
A1-1
50℃—-50℃
18.6
1.6
A1-2
50℃—-50℃
16.8
1.5
A2-1
0℃－50℃
17.8
2.8
A2-2
0℃－50℃
17.9
3
A3
-10℃－110℃
17
0.6
A4-1
-10℃－110℃
16.9
0.8
A4-2
-10℃－110℃
17.5
1.1
A4-3
-10℃－110℃
17.3
1
A4-4
-10℃－110℃
17.5
1.1
A4-5
-10℃－110℃
17.5
1
A5-1
-10℃－110℃
16.8
1
A5-2
-10℃－110℃
16.8
1
A5-3
-10℃－110℃
16.85
1
A5-4
-10℃－110℃
16.85
1.4
A6-1
-10℃－110℃
15
0.7
A6-2
-10℃－110℃
15
0.7
A6-3
-10℃－110℃
15
0.7
A7-1
-10℃－110℃
17.1
0.8
A7-2
-10℃－110℃
17.1
0.8
A7-3
-10℃－110℃
17.1
0.65
A7-4
-10℃－110℃
17.1
0.8
A7-5
-10℃－110℃
17.1
0.8
A8
-10℃－110℃
17.1
0.7
A9
-10℃－110℃
17.3
1
A10
-10℃－110℃
16.85
0.7
A11-1
-50℃－50℃
17.4
0.85
A11-2
-50℃－50℃
17.45
0.7
A11-3
-50℃－50℃
17.4
0.75
A11-4
-50℃－50℃
17.4
0.8
A11-5
-50℃－50℃
17.4
0.7（酒精球破裂）
A12
0℃－50℃
15.15
0.9
（二）壞的酒精溫度計狀況如下
編號
溫度範圍
刻度長（㎝）
酒精球長度狀況（㎝）
B1-1
-10~110
17
0.8
B1-2
-10~110
17.1
0.9
B1-3
-10~110
17
0.8
B1-4
-10~110
17
0.8
B1-5
-10~110
17
0.8
B1-6
-10~110
17
0.75
B2-1
-50~50
16.6
0.9
B2-2
-50~50
17
0.8
B2-3
-50~50
16.8
0.75
B2-4
-50~50
16.65
0.8
B2-5
-50~50
17.45
0.85
B3
-50~50
16.7
0.7
B4
0~50
15.25
1
B5
0~50
17.1
2.7
B6
-10~110
17.2
1.1
B7
-20~120
17.05
1.2
B8
-10~100
16.1
1.1
（三）好的水銀溫度計如下
編號
溫度範圍
刻度長（㎝）
水銀球長度狀況（㎝）
R1
15.2cm
0~300
1.5cm
R2
17.2cm
0~300
1.0cm
R3
13.2cm
0~300
1.2cm
R4-1
13.5cm
0~300
1.5cm
R4-2
12.4cm
0~300
1.5cm
R5-1
16.4cm
0~300
1.0cm
R5-2
18.0cm
0~300
0.9cm
R6-1
13.3cm
0~300
1.5cm
R6-2
15.0cm
0~300
1.5cm
R7
13.3cm
0~300
1.0cm
R8-1
18.4cm
0~300
1.3cm
R8-2
20.3cm
0~300
1.3cm
（四）壞的水銀溫度計
編號
溫度範圍
刻度長（㎝）
水銀球長度狀況（㎝）
Z1
0~300
16.3
1.0
Z2
0~300
13.5
1.3
Z2-1
0~300
14.3
1.2
Z2-2
0~300
14.5
1.0
Z2-4
0~300
14
1
Z2-5
0~300
13.3
1.5
Z3
0~300
15
1
Z4
0~300
15.4
1.25
Z5
0~300
19
0.5
Z-6
0~300
15
1
Z7
0~360
18.7
1
Z8
0~300
13.5
1.5
Z9
0~100
17.3
1.5
Z10
0~100
17.3
1
二、問卷
（一）問卷：
問卷置於附錄一，共發出9份問卷，回收1份。
因此改採用口頭問答，老師們回答從沒想過這問題的有7位，回應不知可能原因有1位，因此我們只好針對回收的一份問卷作深入探討。
（二）問卷回收內容：
1.問卷回收溫度計損壞：
（1）容易造成溫度計斷節的原因是溫度急遽變化，造成酒精膨脹收縮激烈。
（2）較易造成溫度計的水銀（酒精）球破裂的原因是不當使用，例如敲到硬物。
（3）刻度不明的原因是劃刻度的材質與玻璃附著不佳，或者有磨損。
2.溫度計修復方法：
（1）此種溫度計便宜，不用修復。
（2）加熱。
3.避免溫度計毀壞的方法：
（1）避免溫度計斷節的方法，好好使用溫度計。
（2）避免刻度不明的方法，買好一點的溫度計。
三、拯救溫度計
（一）刻度不明：
使用狀況
使用
的物質
修復情形
備註
蠟
經過加熱之後會熔化
無
碳粉
無法沾黏
碳粉加立可白
不行，經過加熱之後會熔化
無
油漆
可以，經過熱之後不會熔化
有一些溢出的油漆需要用松香水擦拭，但會連凹槽裡的油漆也會被擦拭掉。
（二）斷水:
1、加熱法─酒精溫度計
斷節
B8
加熱法
加熱時爆毀
B1-1
加熱法
加熱法
B1-2
加熱法
加熱法
B1-3
加熱法
在甩時被甩斷
B1-4
加熱法
加熱法
B1-5
加熱法
加熱法
B1-6
加熱法
加熱法
B2-1
加熱法
用加熱法已救回
B2-2
加熱法
用加熱法已救回
B2-3
加熱法
用加熱法已救回
B2-4
加熱法
用加熱法已救回
B2-5
加熱法
加熱時爆毀
B3
加熱法
在甩時被甩斷
B4
加熱法
用加熱法已救回
B5
加熱法
用加熱法已救回
B6
加熱法
在甩時被甩斷
B7
加熱法
加熱法
利用加熱法共救回6枝，此期間損毀3枝
2、離心力作用
因為體溫溫度計可以用甩的讓它接上，所以試試用甩的是否能讓它接上，雖然有縮短一點點，但馬上又回復原長，結果都沒成功。
但是，其中有一隻原先是無斷水的酒精溫度計，但經過加熱後出現斷水現象，當我們趕緊用離心力甩下來，結果是留一小點氣泡，所以我們的推論是斷水部份有氣體存在，所以不管如何甩動，均無法使兩斷節部份連接。
3、重力作用
我們之前有放一些溫度計在籃子裡，發現有些斷水的水銀溫度計已復原，因此我們想試試將溫度計斜放，結果目前仍在測量中，也就是沒有斷水溫度計因斜放而恢復。
四、溫度計內容物之性質研究
（一）空氣柱實驗
電子式
溫度計
3mm管徑
5mm管徑
數據1
數據2
數據3
數據4
數據1
數據2
數據3
25℃
0.3㎝
3.6㎝
9㎝
5㎝
1.9㎝
0.9㎝
0.5㎝
30℃
0.3㎝
4.6㎝
9.4㎝
5.5㎝
1.9㎝
1㎝
0.5㎝
35℃
0.4㎝
5㎝
9.4㎝
5.7㎝
2㎝
1㎝
0.5㎝
40℃
0.4㎝
5.5㎝
9.5㎝
5.5㎝
2㎝
1㎝
0.5㎝
45℃
2.1㎝
1㎝
0.5㎝
50℃
2.1㎝
1㎝
0.5㎝
55℃
2㎝
1㎝
0.5㎝
60℃
2㎝
1㎝
0.6㎝
降溫後
降溫後0.4㎝
降溫後5.5㎝
降溫後9.4㎝
降溫後5.9㎝
降溫後1.9㎝
降溫後0.9㎝
降溫後
0.5㎝
（二）黏滯性比較
我們之前有發現酒精溫度計裡面有一小點氣泡，因此我們製作水溫度計來模擬此狀況，我們一開始用玻璃管來做此實驗，但是發現一倒入水，水就沿著玻璃管壁一直留下來，之後我們用管徑5㎜跟3㎜的塑膠管來試試，然後我們用水倒入5㎜的塑膠管發現水不會流出，但是3㎜塑膠管根本就是連倒水都有點到不進去，更別說它會流出來。
因此我們發現玻璃管的黏滯性最低、再來是5㎜的塑膠管，3㎜的黏滯性是最高的。
（三）檢驗溫度計的成份【李必氏冷凝器】
我們在加熱酒精溫度計時，有一些溫度計不小心爆了，發出了一種很難聞的味道，所以我們犧牲了一些溫度計的酒精倒入李必氏冷凝器，但是酒精都還沒倒進李必氏冷凝器就已經蒸發不剩，剩下紅色顏料了，之後我們就一連用了好多支酒精溫度計但是結果都一樣，接著我們還是加熱看看是否有液體凝結出來，結果當然沒有。
所以我們發現要做此實驗必須要大量的酒精，我們沒有那麼多的酒精，所以想要利用李必氏冷凝器收集酒精及測酒精的沸點此部份實驗失敗。
（四）估計酒精球的密度
B1-2
B2-5
B7
溫度計的質量（g）
21.00
21.138
22.581
溫度計玻璃管的質量（g）
20.75
20.91
22.28
溫度計玻璃球的質量（g）
0.17
0.14
0.17
酒精質量（g）
0.085
0.088
0.131
溫度計球+酒精體積（cm3）
0.101
0.112
0.155
玻璃部份體積（cm3）
0.0068
0.0056
0.0068
酒精部份體積（cm3）
0.0942
0.1064
0.1482
密度（g/cm3）
0.90
0.82
0.88
五、溫度計校正
（2）好的酒精溫度計（單位：
℃）
標準
溫度
A4-1
A4-2
A4-3
A4-4
A4-5
A5-1
A5-2
A5-3
A5-4
A6
A7-1
A7-2
A7-4
A7-5
A8-1
A8-2
冰點
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
室溫
21
20
23
21
20
20.5
23
22
23
20
21
22
22.1
22.5
20
20
25
23
24
23
24
24
23
25
24
25
26
24
25
24
25
24
25
30
27
28
23
28
27
30
30
32
30
30
29
28
27
28
29
29
35
33
33
32
34
32
34
35
34
34
33
33
35
35
35
34
34
40
39
37
37
37
37
38
37
38
37
39
37
38
38
38
38
39
45
44
42
42
44
42
43
44
45
44
44
43
44
44
44
44
43
50
47
47
45
47
46
48
52
50
50
49
46
49
48
49
48
47
55
52
51
51
51
50
55
54
55
53
53
51
53
53
53
51
52
60
56
57
57
57
56
59
60
61
60
57
55
57
57
57
57
57
65
63
64
62
63
62
66
64
66
63
63
60
61
61
61
61
61
70
67
67
66
67
66
69
70
70
70
68
63
68
67
68
66
66
（二）斷水溫度計（單位：
℃）
標準溫度
B1-1
B1-2
B1-4
B1-6
B3
B6
B7
B15
室溫
24
20
21
17
22
22
12
21
量測溫度
25
28
24
25
22
26
25
15
25
量測溫度
30
30
26
27
24
32
32
18
30
量測溫度
35
35
31
33
29
36
35
22
34
量測溫度
40
38
34
37
34
41
40
25
39
量測溫度
45
46
42
44
40
44
43
32
41
量測溫度
50
50
47
45
43
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