KNOWLEDGE

首頁

應用教學

KNOWLEDGE

首頁

應用教學

生活小實驗分享-兩個氣球的故事

JUL 19 ,2019

簡介

         人體的肺臟就像是一顆很大的氣球,具有彈性,具有擴張與回縮的現象。事實上,整個呼吸運動的過程就是根據氣體物理學的原理,達成吸氣與吐氣的動作。本次的活動中,將使用兩顆汽球與寶特瓶製作簡單的肺模型,並搭配氣壓感應器量測模型內的氣壓變化,以探討整個氣球擴張與回縮過程的物理學原理。

 

背景知識

        在理想的氣體中,許多科學家發現氣體的體積、壓力、溫度與分子數四個變數存在著一個規律的數學關係:

  1. 波以耳定律:相同溫度與分子數下,氣體的體積與壓力成反比
  2. 查理定律:相同壓力與分子數下,氣體溫度與體積成正比
  3. 亞佛加厥定律:相同溫度與壓力下,氣體分子數與體積成正比

         將這四個變數與科學家們提出來的定律結合,可以列出理想氣體的方程式 PV=nRT,並解釋諸多氣體的物理現象,例如熱氣球升空、呼吸運動等。

 

操作方法

  1. 肺模型的製作

       現在開始利用一些生活的小材料來做出一個簡單的肺模型,首先準備一個喝完飲料的寶特瓶(瓶身不要太軟),使用刀片從中間剪開,留下瓶子的上半部分。使用第一顆汽球套住瓶口,第二顆汽球的前端剪去1/3後,套在瓶底的位置(如下圖)。將氣體導管的一端深入上方的氣球內,並固定住。

 

  1. 呼吸運動的模擬

       現在開始用手拉動下方的氣球,觀察上方氣球,我們發現它逐漸的膨脹,而下方的氣球恢復原狀後,上方的也跟著回縮至原本的狀態,代表兩者的變化是有關連性的。接著我們將氣壓感應器接上導管的另一端(需要搭配轉接器),透過SPARKvue軟體偵測上方氣球內氣壓的變化,透過不斷的下拉與回縮下方的氣球,除了看到上方的氣球也跟著擴張與回縮外,也發現氣球內的氣壓跟著在變化:下拉時,上方氣球壓力變小;回縮時,上發氣球壓力上升(如下圖)。

 

問題與討論

         在本次的活動中,透過一個簡單的肺模型探討氣體物理學的原理,整個寶特瓶代表胸腔,上方的氣球代表肺,下方的氣球代表橫膈膜,所以整個變化的過程就是下拉橫膈膜,牽引著肺的擴張,橫膈膜回縮,肺也跟著回縮。現在我們來探討在本次實驗中最重要的問題:為什麼下方氣球(橫膈膜)的變化會帶動上方氣球(肺)也跟著變化?

 

         把整個模型分成兩個空間:上方氣球內、兩個氣球間,在靜止時,兩氣球的受力皆處於靜力平衡的狀態,當下拉氣球(橫膈膜)時,根據波以耳定律,增加的兩氣球間的體積,而造成該空間內的氣壓減小,也導致上方氣球(肺)的靜力平衡狀態被打破,上方氣球(肺)擴張的力量大於回縮的力量,氣球開始擴張,這就是下方氣球(橫膈膜)帶動上方氣球(肺)變化的原理。

 

         透過氣壓的偵測,上方氣球(肺)擴張時內部的氣壓降低;回縮時氣壓升高,驗證了波以耳定律的概念,因為如此,造成和外界大氣產生壓力差,產生了氣流(F=△P/R),這就是生理學常提到的吸氣與吐氣。