2013年4月28日

科學玩具-光學-水晶球(透鏡)萬花筒

家裡有不少萬花筒,有簡單的塑膠製及紙製傳統的樣式,也有T字型油狀的變化版,這些都是屬於結構或半結構的品項。之所以這樣分的原因在於製造過程中所希望觀察者看到的是什麼,怎麼說呢?

傳統的樣式就是由三片長方形的單面鏡結合成三角形,鏡面夾角由正三角形的60度至等腰三角形的7080度不等,加上圓筒就完成了主體部分。接著在圓筒一端加上圓孔必小於三角形的觀景窗,另外一端則是裝上半透光的圓形霧面墊片及透明片,中間夾雜著會反光的亮片、五顏六色的塑膠薄片或串珠。這樣就完成了。T字型油狀的變化版也是如此,只是把觀察物裝在透明的油管裡,轉動圓筒時觀察物體緩慢掉落的狀況(參考文章:科學玩具-光學-T字型萬花筒)。

雖然萬花筒裡的圖形組合總是千變萬化,但是結構或半結構的萬花筒中所看到的都是固定的材料組合,也就是再怎麼看還是同樣的亮片、塑膠片或串珠,玩久了心裡也會疲乏。不過,有另外一種樣式是屬於不加這些小零件的,我把它歸類為開放式,而前面就是一個半圓形的透鏡,所看到的景色會隨著角度、物體、背景或亮度而改變,更好玩的是它的呈現可以是動態的畫面。廠商給它取了一個名字-水晶球萬花筒,只是它的水晶球只有半顆。

手邊有好幾隻這樣的萬花筒,除了我自己玩,也給兒子、女兒玩。可以在各科學教育館場裡買到不同筒身圖案(科學的、生物的…),也能在風景區買到包覆著當地特色圖景的,各有各的特色,我也曾經在生活工廠(Working House)裡買到特大隻的,當然透鏡也大了許多倍。
這是一隻為女兒準備的水晶球萬花筒,等到她發現的時候再送她,這樣才會珍惜
希望她能透過萬花筒的眼睛來看看這個不一樣世界

會出現不一樣是因為變化,而變化起因於萬物的亂度趨向於增加
當夾角越小,所呈現的對稱圖案就越多

從觀景窗看過去,可以發現裡面的面鏡不是以正三角形的方式來組合(夾60度角),故可形成6個以上的對稱圖案(通常是7個),形成的圖案數可以用圓周角360度除以鏡片夾角而得,這裡需要像偶鏡成像時需要減11代表物體本身)嗎?見仁見智,端看如何定義,因為透過這個萬花筒所看到的都是影像,而物體是在透鏡以外哪!
水晶球萬花筒後,廠商再度為T字型萬花筒另起了一個名稱-流星雨萬花筒
不過放在不一樣的地方展示,燈光美、氣氛佳,當然價格也不一樣囉

物鏡是由曲率大的透鏡所組成,光線由此進入並產生折射,經過鏡面反射後形成多幅對稱的圖案,再進入人眼而引起視覺,也引起好奇心。這裡面所使用的光學原理很簡單,但是科學的巨人在光學的研究上卻有劃時代的貢獻,透過透鏡,不只可以觀賞到白色光線偏折後的色散現象(所以嚴格說來白色並不單純?),也能讓各色光線再次回歸到無暇的白光。
還有這種音樂盒型的,做得很漂亮精緻,純欣賞用,只要轉上發條就好
底下的轉盤可以讓圖案旋轉,只要眼睛湊過去就好,放輕鬆聆聽音樂吧

透過觀察(不論是眼、耳、鼻、口舌或皮膚)所得到的第一手資訊常常是引起動機的鑰匙,那是主動學習的能源之一,像這樣的內在驅力是需要自己補充的,不能完全由別人來灌輸、補充,也就是學習者要對自己的成長負上最大的責任。

2013年4月23日

科學玩具-物性-會彎曲的紙

最近邱彥文老師寫信給我問有沒有看過一個網拍上的魔術道具,看到之後我立即回信跟他說不要手滑,因為我手邊就有幾張這種紙,而且還是七月份去樹谷科學生活園區的踩線團時,由林鴻旭老師贈與的魔術道具。林老師說這可以搭配彎曲湯匙的魔術,簡單到人人都可以上手。拿回家一試,還真的是放在手上就可以讓這張紙彎曲。
乍看之下有點像染了薑黃素的紙張,中間有一支湯匙的輪廓
平時是服貼在平面上的,似乎沒有任何神奇之處

紙上的湯匙輪廓其實可有可無,純粹是依照魔術師需求而設計的
這樣的顏色搭配,不禁讓我想到金紙和銀紙

因為網拍賣家並沒有拍攝影片,所以當下我就拍了一段附有胖胖手背景的影片回寄給邱老師,演示它的神奇效果。接著討論單價這麼高的拍賣品有沒有自己製作的可能性,因為手邊有現成的東西可以看,所以分析之後,第一個直覺就想到包裝糖果的糯米紙。在魚雁往返之際,還得知食品原料行的玻璃紙也有類似的效果,只是效果差了點,邱老師覺得可以放在一起比較,是個不錯的科學探究素材。
放在手上一段時間後,紙張會慢慢地向上彎曲,湯匙圖案也跟著彎曲
如果離開手掌,就會漸漸回復成平整的狀態

不過如果不探討它的彎曲影響因素,實在是難解心頭之癢,更不用說要自行製作了。所以我把其中影片中的那張魔術紙當作分析對象,反正落入理化老師中的手中後,水深火熱的荼毒是免不了的,它或許要有自覺才行。

因為放在手上,不外乎兩個因素-體溫與溼氣,所以就先朝這兩個方向下手。首先是體溫,會不會因為冷熱不同的手而影響到彎曲效果及效率呢?所以就先以平常的手與摩擦過的手來做比較,發現差異不大。那會不會是前後溫度差距太小呢?所以用打火機來烤烤看,但反而一點彎曲都沒有。所以應該跟溫度沒有太大的關係。

火不行,那就改用水來試試看。之所以會想到用水,是因為塗過膠水或沾過口水的郵票會因為膨脹的關係而向一側彎曲。這個效果在這張魔術紙上有非常類似的程度,只不過郵票上的膠水乾涸的時間比較長,所以變回平整的時間也比較久。我使用了平常狀態的手和以清水洗過的手來做比較,果然彎曲效果差很大。在較為乾燥的手上,紙張的彎曲緩慢得多,但是換到濕潤的手上,紙一下子彎曲到快捲成捲心酥了。因此這張紙受到濕度的影響非常大,本來向上彎曲的紙,也可以翻面再成為平整,接著再向另一面彎曲。
那既然要成為探究素材,那糯米紙絕對是必要的採買工作,擱在心中不是件好事,幾乎就是馬上奪門而出到食品原料行買回來,自己先玩才能教小朋友玩。邱老師也找到阿簡生物筆記裡曾介紹過的「痛苦的小人」,是個不錯的意象,不過若交給男學生自己畫,會畫出什麼樣的玩意兒,大家應該心裡有數。
四疊一包的糯米紙據老闆說大約1250張,售價為90
照這樣來說,以每班3035人計算,應該可以用很久,是很划算的投資

尺寸規格為6.5公分乘以7.5公分,剛好適合手掌的大小
側邊是機器裁切過的痕跡,在某些書上也會有這樣的切痕

後來,就帶著兒子一起玩另外一種糯米紙相關的遊戲,加入澱粉酶(俗稱吐口水,也可以用狀聲詞形容:呸!)之後,就看到糯米紙慢慢地被水解,觀察塗過油性筆的地方被拉扯成一塊塊分隔的區域。經過一段時間後,字已經跟原來不一樣了,再用手摸摸看它黏呼呼的觸感,而最後的下場當然就是進馬桶裡囉!
原本方方正正的字,開始被拉扯分離開來,會先變形再分解
若是沒有加澱粉酶,那這個過程是非常緩慢的

2013年4月18日

生活科學-聲波-音波觀光工廠

過年放假期間,實在不想出去人擠人地在車陣中浪費時間,不過即使是這樣,原本平日從安平港返家根本不到半小時的車程,途中出現道路管制,讓原本可通行的雙向道路變成單行道,雖然有辛苦的警察在指揮著,但是車流量實在太大的,硬是塞了一個半小時才回到永康的家,這就是連假時的各個觀光景點路況。

其實只是路過安平港而已,也不是外地遊客的一家人,在自家的台南市出遊還被困著是頗感無奈的。原本的目的地並不是那裏,只是外出走走,並沒有特定的目的地,後來看到路邊的指示牌寫著:「音波觀光工廠」,雖然之前常常行經這條往台17線的道路,但是看到指示牌上的名稱,實在是不知道葫蘆裡賣的是什麼藥。

所以當下就決定前往位於台17線附近的工業區,才知道有家廠商為了推廣自家產品,才設立了這間觀光工廠。相信第一次看到的你也猜不到它在做什麼,其實這是一間在做美容儀器的工廠,讓物質透過高頻率振動的方式導入皮膚,你猜對了嗎?

裡面有當然有產品體驗區,不過那並不是吸引我的地方,讓我注意到的是周圍陳列的科學遊戲區(?)。有幾個科學闖關遊戲常出現的關卡,但卻沒有關主,讓遊客自行操作。雖然有沒有人盯著自己看的優點,但也出現了維護上的缺點。
第一關叫做獅吼功,就是曾出現在功夫電影裡讓人震耳欲聾的大絕招
只是這裡是對著薄膜吶喊,讓鹽粒有不同的形狀排列

嗯……盤子裡沒有鹽可以放在薄膜上,聲音無法現形,令人無言……

第二關就是常見的國中理化實驗,在聲音單元必定上場的課堂活動,不過同樣沒有看到工具,所以就憑空想像吧!以前的科普實驗書常常是由日本書籍翻譯而來的,所以最早並沒有出現把敲擊過的音叉放入水中的操作,而是用懸吊著的「通草球」來讓音叉的振動現形,質量小的通草球受力之後會彈離音叉再擺動回來,藉以呈現快速振動是聲音出現的因素之一。
音叉的振幅跟能量有關,進而影響了水花噴濺的程度
音叉的形狀是產生疏密相間的縱波的重要關鍵

這一關就是先前所介紹過的龍洗,家裡有一個,教到聲音單元時才會帶到學校
原理是讓摩擦而產生的振動頻率與物體的自然頻率相符合,讓共振出現

接著進入了超音波的關卡,課本上所說的20赫~20000赫只是一個約略範圍,不是每個人都能聽到頻率最大值與最小值的聲音的,像年紀大的成人就有可能聽不到高頻的聲音,但小朋友卻很敏銳,所以每個人可接收的範圍並不相同。但只要頻率在20000赫以上,就稱為超聲波或超音波,那就是所有人都聽不到了。
再怎麼高速振動,水分子依舊是水分子,並不會轉變成其他粒子
所以結構不會被打散,說明板中的詞彙是常見的錯誤

利用這種高頻率振動,使得原本在聚在一起的水體獲得能量而分散
部分水分子可以脫離水面後形成水霧,霧就是液態水

最後就是看到超音波的應用了,不論是超音波清洗機、部分廠牌的洗衣機或是非侵入式的醫療儀器,都有把數量較多的分子團分散成數量較小的分子群的功能,只不過頻率範圍不同而已,功能就不一。
若真如說明板中所說的,那麼下次我一定把錢幣丟進去要試試看
不過丟進銅幣,待會兒應該不會出現銀幣或金幣吧?

不論是聽得到的或是聽不到的,都可以依其振動頻率製成不同用途的產品
女性朋友似乎還是比較容易從美容的角度來體驗科學啊

逛完並不大的體驗區一圈,如果不使用、體驗產品的話,其實不用很久,時間大多花在拍照上,而且看到陳列的那些高頻振動的電子產品,才恍然大悟「音波觀光」原來是這個意思啊!