生活小實驗分享-兩個氣球的故事

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。

2. 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。