太空教学笔记.docx
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太空教学笔记
PGDE2004-2005
EDD5157A
IntegratedScience
Instructor:
Prof.S.Y.Mak
Name:
HUITingTing
StudentId:
04954990
E-mail:
s049549@cuhk.edu.hk
（甲）閱讀理解
火箭不污染太空
大家知道，氫和氧混合後，一旦接觸火，就會引起爆炸。
但如果氫與適量的空氣混合，會產生高溫和清潔的火焰。
所以，氫是一種非常有用的燃料，它不但在家居和工業上廣泛使用，更在穿梭機上作為升空的動力。
（Hydrogen）的希臘語意思為「產生水」的物質，在元素週期表中為第一號元素，無色、無味、無臭、無毒，導熱性最好、比大多數氣體的導熱係數高出10倍，特別是其沸點很低，這些特性都使得氫成為一種極佳的燃料能源。
氫作為燃料能源，有其優越之勢。
氫燃燒後的產物只有水，不但對環境無污染，而且可為太空人提供用水。
氫可以由水（H2O）來製取，而水則是地球上最為豐富的資源。
氫作為燃料能源不會像燃燒石油和煤炭一樣產生任何足以導致溫室效應的化學物質，也不會引起酸雨和煙霧。
燃燒石油等礦物質的能源型態，會導致酸雨、空氣中懸浮粒子增加，以及溫室效應等環境影響。
正因為氫作為燃料能源不會排放二氧化碳，有助於改善大氣層的溫室效應，對環境保護的效益無可計量。
現時香港使用的煤氣，是由石腦油提煉而成，它含約有50%的氫。
不過，地下的石油終於會有用竭的一天，故將來氫很有可能成為燃料的主要來源。
工業上，由氫和氧混合而成的氫氧吹管，可以產生溫度高達4000oC的火焰，這溫度足以用來切割金屬及熔合金屬。
雖然現時已有氫氣推動的汽車，但這只在試驗階段。
而在太空科技中，氫氣已廣泛作火箭的燃料。
穿梭機附在一個巨大的燃料箱上，它載有提供動力的液態氫氣和協助燃料的液態氧氣。
穿梭機的設計能讓飛行器進入地球的軌道，在完成任務後重返地球。
這種設計可讓飛行器重複使用。
穿梭機會攜少量的液態燃料，以供在軌道上轉向和減速之用。
是非題：
1.煤氣含100%氫是/非
2.氫氧是最輕的一種氣體是/非
3.燃燒石油和煤炭時會釋出二氧化碳，這會導致溫室效應。
是/非
4.氫不容易燃燒是/非
5.氫氣可重燃有餘燼的木條。
是/非
問題討論：
1.為甚麼氫是一種優良的燃料？
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2.舉出以氫作為燃料的兩種用途。
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3.氫和氧對於太空船有甚麼作用？
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
4.比較氫和媒炭兩種燃料，各列出一項優點和缺點？
氫
媒炭
優點
缺點
選擇題：
1.以下哪一項可用來測試氫？
A.石灰水
B.pH試紙
C.有餘燼的木條
D.燃燒中的木條
2.以下哪一項有關氫的描述是錯誤的？
A.氫是無色的。
B.氫可溶於水。
C.氫是無嗅的。
D.氫是最輕的原素。
3.以下哪項有關氫的描述是正確的？
（i.）沒有元素都能與氫生成化合物
（ii.）氫可以由水來製取
（iii.）氫和氧的化學反應會產生氮氧化物
A.只有（i）
B.只有（ii）
C.（ii）和（iii）
D.全部都不是
4.為甚麼氫能源被稱之為「永遠的能源」？
A.因為要是以氫氣代替媒炭作為燃料，有助於改善大氣層的溫室效應，對環境保護的效益極大。
B.因為燃燒氫氣時會產生高溫，足以作為永遠的能源。
C.由於氫在地球上無所不在，沒有用盡的一天。
D.因為氫能源比較便宜。
（乙）
尋詞遊戲
試從方格的字庫中圈出有關太空之旅一課中的詞語，並利用字庫中的各詞語完成以下填充題。
反
作
用
力
磁
火
無
重
吸
衣
擦
箭
氧
心
空
重
量
摩
地
太
空
之
旅
氫
輻
空
氣
墊
固
體
射
船
潤
滑
劑
液
1.對於每一個作用力，必定存在著一個大小相同和方向相反的____________。
2.____________是地球作用於物體的力，造成物件的重量。
3.______利用向下排出的氣體所產生的反作用力來升空。
4.物體互相摩擦時會產生_________。
5.彈簧秤可量度物件在空氣中的______。
6.___在空氣燃燒時會產生熱和水，而且會發出「噗」的聲音。
7.減少摩擦力的方法包括使用滾軸或輛子；使用_________；使用______；把物體設計成流線型；把物體表面變得光滑。
8.太空船利用降落傘來增加______的阻力，使它緩慢而安全地降落地面。
9.在太空中行駛的_________不需要燃料來保拎它的速率和方向。
10.______是熱在真空中的傳遞方式。
11.太空船遠離地球時，它會脫離地球的重力，進入______狀態。
12.磁鐵的______作用於大頭針上，使大頭針移動。
13.太空人在太空中處於______狀態，故此，太空船需攜帶氧氣供呼吸和燃燒使用。
14.一般_________是由貼身降溫衣、壓力衣、外衣、頭盔和背包式維生系統組成的。
15.火箭的燃料一般可分為______燃料和______燃料兩類。
【答案】
（甲）閱讀理解
是非題：
1.煤氣含100%氫。
是/非
（煤氣含約有50%的氫。
）
2.氫氧是最輕的一種氣體。
是/非
3.燃燒石油和煤炭時會釋出二氧化碳，這會導致溫室效應。
是/非
6.氫不容易燃燒。
是/非
（氫的沸點很低，所以容易燃燒。
）
7.氫氣可重燃有餘燼的木條。
是/非
（氫氣和燃燒中木條發出「噗」聲。
）
問題討論：
1.為甚麼氫是一種優良的燃料？
氫在燃燒時會產生高溫，為火箭提供足夠的動力。
（1/2）
氫燃燒後的產物只有水，不但對環境無污染，而且可為太空人提供用水。
（1/2）
無色、無味、無臭、無毒，導熱性好。
（1/2）
沸點很低、容易燃燒。
（1/2）
2.舉出以氫作為燃料的兩種用途。
-火箭/穿梭機的燃料
（1）
-用於切割金屬和溶合金屬
（1）
4.氫和氧對於太空船有甚麼作用？
-作為燃料之用
（1）
-燃燒氫時會產生水，可供大空人生活之用
（1）
4.比較氫和媒炭兩種燃料，各列出一項優點和缺點？
氫
媒炭
優點
氫燃燒後的產物只有水，對環境無污染
比較安全
缺點
氫和氧混合後，一旦接觸火，就會引起爆炸。
導致溫室效應
選擇題：
D
1.以下哪一項可用來測試氫？
A.石灰水
B.pH試紙
C.有餘燼的木條
D.燃燒中的木條
B
2.以下哪一項有關氫的描述是錯誤的？
A.氫是無色的。
B.氫可溶於水。
C.氫是無嗅的。
D.氫是最輕的原素。
3.以下哪項有關氫的描述是正確的？
（i.）沒有元素都能與氫生成化合物
（ii.）氫可以由水來製取
（iii.）氫和氧的化學反應會產生氮氧化物
A.只有（i）
B
B.只有（ii）
C.（ii）和（iii）
D.全部都不是
4.為甚麼氫能源被稱之為「永遠的能源」？
A.因為要是以氫氣代替媒炭作為燃料，有助於改善大氣層的溫室效應，對環境保護的效益極大。
B.因為燃燒氫氣時會產生高溫，足以作為永遠的能源。
C
C.由於氫在地球上無所不在，沒有用盡的一天。
D.因為氫能源比較便宜。
（乙）尋詞遊戲
試從方格的字庫中圈出有關太空之旅一課中的詞語，並利用字庫中的各詞語完成以下填充題。
反
作
用
力
磁
火
無
重
吸
衣
擦
箭
氧
心
空
重
量
摩
地
太
空
之
旅
氫
輻
空
氣
墊
固
體
射
船
潤
滑
劑
液
1.對於每一個作用力，必定存在著一個大小相同和方向相反的反作用力。
2.地心吸力是地球作用於物體的力，造成物件的重量。
3.火箭利用向下排出的氣體所產生的反作用力來升空。
4.物體互相摩擦時會產生摩擦力。
5.彈簧秤可量度物件在空氣中的重量。
6.氫在空氣燃燒時會產生熱和水，而且會發出「噗」的聲音。
7.減少摩擦力的方法包括使用滾軸或輛子；使用潤滑劑；使用氣墊；把物體設計成流線型；把物體表面變得光滑。
8.太空船利用降落傘來增加空氣的阻力，使它緩慢而安全地降落地面。
9.在太空中行駛的太空船不需要燃料來保拎它的速率和方向。
10.輻射是熱在真空中的傳遞方式。
11.太空船遠離地球時，它會脫離地球的重力，進入無重狀態。
12.磁鐵的磁力作用於大頭針上，使大頭針移動。
13.太空人在太空中處於無氧狀態，故此，太空船需攜帶氧氣供呼吸和燃燒使用。
14.一般太空衣是由貼身降溫衣、壓力衣、外衣、頭盔和背包式維生系統組成的。
15.火箭的燃料一般可分為固體燃料和液體燃料兩類。
中二年級綜合科學科
專題研習
【太空之旅】
-降落傘水火箭工作坊-
班別：
______________________組別：
_________提交日期：
____________________
組長：
______________________________﹝學號：
__________﹞
組員：
______________________________﹝學號：
__________﹞
組員：
______________________________﹝學號：
__________﹞
組員：
______________________________﹝學號：
__________﹞
組員：
______________________________﹝學號：
__________﹞
組員：
______________________________﹝學號：
__________﹞
發射原理
水動火箭是利用氣體壓力將水樽內的水噴出，樽身藉著水向後噴出而獲得的反作用力射出。
這是動量守恆原理，也是牛頓作用力和反作用力定律。
火箭主體是一個寶特瓶（PETbottle），瓶內先注入一定量的水，再利用氣泵將空氣打進瓶內，令瓶內形成高壓。
當拔去活塞後，瓶內的水隨即以高速排出瓶外，形成一股強大動力，一些水火箭的熱好者所研製的火箭，發射距離竟可超越千多米。
寶特瓶是由一種可以循環再用的膠料製做而成，物料本身十分堅韌，一般盛載汽水的寶特瓶都可以承受高壓，尤其適合製作水動火箭。
水火箭著地時的衝撞力，可能因而損壞整體結構。
為了使水火箭完整的回收，可以在水火箭頂部內加設降落傘，讓水火箭隨降落傘飄然而下。
製作過程
【甲部：
降落傘的製作】
問題：
甚麼因素影響降落傘下降的速率？
儀器及材料
剪刀1絨布1
尺1硬幣3
秒錶1幼線
塑膠檯布3膠紙
棉布1
第一部份
1.從塑膠檯布剪出一個20cm20cm的正方形，並在檯布的4個角分別綁上一條20cm長的幼線。
2.把4條幼線的另一端繫在一起，並確保4條幼線的長度相等。
然後用膠紙把一枚硬幣固定在幼線的末端。
3.分別把一個沒有降落傘的硬幣和一個附有降落傘的硬幣，從學校五樓掉下，並用秒錶量度硬幣
下降到地面所需的時間。
沒有降落傘的硬幣下降到地面所需的時間是______秒。
附有降落傘的硬幣下降到地面所需的時間是______秒。
這實驗顯示降落傘有甚麼作用？
_________________________________________________
4.你認為下列哪些因素會影響降落傘降落到地面所需的時間？
降落傘的大小
降落傘的製造物料
降落傘的數量
其他____________________________________________
第二部份
因素1：
降落傘的大小
提出假設：
降落傘越大，它的下降速率越___。
變數：
保持不變的變數：
__________________________________________________
將會改變的變數：
__________________________________________________
將會量度的變數：
__________________________________________________
進行實驗：
❶製造不同大小的降落傘，並把硬幣固定在降落傘下。
用秒錶量度降落傘從學校五樓降落到地面所需的時間。
實驗結果
降落傘的邊長（cm）
降落的時間（s）
第一次
第二次
第三次
平均值
15
20
25
結論：
________________________________________________________________
因素2：
降落傘的製造物料
提出假設：
降落傘的製造物料越輕，它的下降速率越____。
變數：
保持不變的變數：
__________________________________________________
將會改變的變數：
__________________________________________________
將會量度的變數：
__________________________________________________
進行實驗：
製造不同物料的降落傘，並把硬幣固定在降落傘下。
用秒錶量度降落傘從學校五樓降落到地面所需的時間。
實驗結果
降落傘的物料
降落的時間（s）
第一次
第二次
第三次
平均值
塑膠檯布
棉布
絨布
結論：
________________________________________________________________
因素3：
降落傘的數量
提出假設：
____________________________________________________________
變數：
保持不變的變數：
__________________________________________________
將會改變的變數：
__________________________________________________
將會量度的變數：
__________________________________________________
進行實驗：
製造6個相同的降落傘。
把硬幣固定在1個降落傘下，用秒錶量度降落傘從學校五樓降落到地面所需的時間。
把硬幣固定在2個降落傘下，用秒錶量度降落傘從學校五樓降落到地面所需的時間。
把硬幣固定在3個降落傘下，用秒錶量度降落傘從學校五樓降落到地面所需的時間。
實驗結果
降落傘的數目
降落的時間（s）
第一次
第二次
第三次
平均值
1
2
3
結論：
________________________________________________________________
問題：
1.由以上的實驗，你應為一個好的降落傘設計是怎樣？
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
2.為什麼降落傘可以使太空船安全降落地面？
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
附錄
將進行實驗時的相片貼在空格內
【乙部：
水火箭的製作】
水火箭規格：
動力
火箭只可以水力﹝和空氣﹞發舅，不可使用其他輔助能源。
高度限制：
火箭的長度及闊度不能超越0.4米;高度不能超越1米。
重量限制：
沒有限制
製作材料：
必須採用塑膠汽水瓶作為火箭的主體，其他材料以不妨礙安全為原則。
噴咀規格：
噴咀其實由一對軟水管轉接器改裝而成，轉接器適用於直徑為0.5英吋（12.7mm）的水管。
發射規則：
Ø接駁氣泵至噴咀的喉管及接駁器。
Ø為保安全，氣壓計的電動氣泵的輸出壓強不可超過100psi（磅每平方吋）。
Ø發射台：
發射台由一台三腳架及一支鋼管接合而成，腳架離地面的高度約為60厘米，架上接上一支直徑為1.3厘米；長度為100厘米的圓鋼管。
鋼管的角度可自由調較。
Ø降落傘的面積不可超過50cmx50cm。
Ø防護裝置：
包括防護手套、護目眼罩
﹝資料源自：
http:
//www.ied.edu.hk/fess/co_opt/water_rocket.html﹞
﹝資料源自：
http:
//140.127.37.16/~adept/street/88fly/1-3.htm﹞
水火箭施放程序與運用原理說明
（一）加水→增加摩擦力
因為保特瓶容納的空氣有限，在噴氣嘴打開的瞬間，空氣一下就衝出來了，加入水後，壓縮空氣將水向外推，當水流高速向外衝出時，增加反作用力，也就能推動水火箭向上升空。
（二）打氣→氣壓
壓力愈大，所產生的推力也愈大。
（三）發射→作用力與反作用力
牛頓第三運動定律：
如果以一力推（拉）一物體時，該物體會以相等大小的力推（拉）施力者。
1.灌得飽飽兒的氣球，裡頭充滿了空氣。
2.把吹氣口鬆開，空氣就會從吹氣口咻咻咻的跑出來。
3.往後面噴出來的空氣力量，會把氣球往前面推進。
（四）飛行→重力、彈道飛行、空氣阻力
1.重力---使物體落回地面的力。
兩物體間重力大小取決於它們之間的距離，也取決於物體的質量。
距離愈大，拉在一起的力量就愈小。
物體的質量愈大，重力就愈大。
2.彈道飛行---物體以一起始力向一仰角方向作用，物體受到地心引力的影響，呈一拋物線方式飛行。
此拋物線即為彈道。
3.空氣阻力---物體移動穿過空氣時，空氣分子撞在物體上產生摩擦力，此種摩擦力稱之為空氣阻力。
（五）尾翼的作用
尾翼的作用在於維持水火箭前進的方向。
（六）降落傘
水火箭著地時的衝撞力，可能因而損壞整體結構。
為了使水火箭完整的回收，可以在水火箭頂部內加設降落傘，讓水火箭隨降落傘飄然而下。
評分方式
評分的標準有二：
一是高度，火箭飛得越高，分數越高。
二是滯空時間，因為火箭要回收，勢必要有降落傘，讓火箭慢慢掉回地面，滯空時間越長，分數越高。
火箭要飛得高，火箭就要輕，滯空時間越長，降落傘就要大，火箭就會變重，因此，這樣的評分標準，可以訓練學生在兩個相互矛盾的目標中，如何取得妥協，並求得一個最佳的設計，這也是工程設計的基本精神。
參考書目
物理教學藝術與教具研究實驗室：
《保特瓶火箭加降落傘製做》，http:
//140.127.37.16/~adept/street/88fly/1-3.htm，瀏覽日期：
31-1-2005。
科學教學實習支援網站，《水動火箭大賽2002》，http:
//www.ied.edu.hk/fess/co_opt/water_rocket.html，瀏覽日期：
31-1-2005。
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