1、 科 別：物 理 科 組 別：國 小 組 作品名稱：吸不吸 有關係 關 鍵 詞： 毛細現象 、 上限 、 宣紙 編 號：080120 學校名稱： 臺北市大同區永樂國民小學 作者姓名： 賴怡安、黃致維、廖奕嘉、許芳毓 指導老師： 郭怡君、徐儷月 1吸不吸 有關係 一、研究動機 記得在四年級下學期的自然課堂上，郭 老師在 水的毛細現象 的單元中，教我們做了毛細現象的實驗：先用兩片載玻片夾住蓋玻片，再用橡皮筋綁好，然後插入紅墨水中。我們觀察發現： 水會逐漸上升，到一定的高度才停下來；而且夾的蓋玻片越多，水上升的高度越低。 這個實驗引發了我們高度的興趣及好奇：如果用各種紙類來做毛細現象，水會沿著紙一直
2、往上爬嗎？還是會像玻璃的毛細現象一樣，停留在一定的高度呢？於是大夥兒決定開始動手作實驗。 二、研究目的 （一） 、探討各種紙類的毛細現象是否有上限。 （二） 、探討各種紙類其毛細現象上升的速度是否相同。 （三） 、探討各種液體對紙類產生毛細現象之異同。 （四） 、探討液體濃度如何影響紙類毛細現象之速度。 2（五） 、探討液體溫度是否影響紙類毛細現象之速度。 （六） 、探討液體顏色是否影響紙類毛細現象之速度。 （七） 、探討液體多寡是否影響紙類毛細現象之速度。 （八） 、探討紙類放入液體面積大小是否影響毛細現象之速度。 三、文獻探討 毛細現象的原理，最常使用玻璃毛細管來說明。將一根細玻璃管插到水
3、裡，玻璃管內的水面 會上升得比玻璃管外的水面高，這是因為：管 壁對接觸到 的水分子產生的吸引力（附著力） ，比水分子本身之間的吸引力（內聚力）來得強，這種附著力就會沿著管壁把水分子吸上來一些，那些被吸引的水分子又以內聚力吸引附近的其他水分子。這種過程持續進行，水柱就會一直上升，直到地心引力拉下水柱的力量和管壁吸引水分子的力量相等時，水面才不會繼續升高。這種現象並不只是發生在很細的玻璃管中，水也可以沿著細纖維的表面上升；像一些紙類、布類裡面都有很多細小的孔隙，孔隙連接起來就形成了很多細小的管道，水分就可以由這些管道往上升了。 四、研究器材 （一） 、工具：250ml 燒杯 10 個、玻璃滴管、量
4、筒、溫度計、黑色油性簽字筆、碼錶、電子天平、剪刀、尺、標籤、口罩、電熱水器、攪拌棒、自製多功能木架。 （二）材料：紅墨水 25 瓶、水彩一盒、冰醋酸、酒 精、食鹽、糖、十種紙類（卡紙、報紙、 水彩紙、棉紙、宣紙、再生計算紙、圖畫紙、影印紙、丹迪紙、博士紙） 、十種溶液（可樂、烏醋、紅茶、牛奶、米酒、水、養樂多、醬油、沙拉油、 番茄醬） 、冰塊、蒸餾水。 3五、研究過程方式及結果 實驗一：各種紙類的毛細現象是否有上限。 實驗方法 1. 收集市面上常見的紙類十種，並裁成長 25 公分寬 3 公分的紙條。 2. 在蒸餾水中加入紅墨水，各倒 50ml 於 10 個 250ml 燒杯中。 3. 將紙條夾
5、在自製多功能木架的第二層鐵絲上，在同一時間將紙條放入燒杯內。 4. 每日觀察並將紅墨水上升的最後高度 (上限 見註一 )記錄下來。 實驗結果 （原始資料見附件：表 1） 紙的 種類 上升 平均高度 卡 紙 報 紙 水 彩 紙 棉 紙 宣 紙 再 生 紙 圖 畫 紙 影 印 紙 丹 迪 紙 博 士 紙 上升高度 20.93 10.53 10.66 8.5 8. 6 7.63 1.06 1 0.66 0.3603691215182124紙的種類上升平均高度(單位 :公分 )卡紙報紙水彩紙棉紙宣紙再生紙圖畫紙影印紙丹迪紙博士紙4註（一） 進行實驗一之前我們先選擇一種紙（宣紙）做測試： 方法： 1.
6、將市售宣紙裁成長 25 公分寬 3 公分的大小 2. 在蒸餾水中加入紅墨水，倒 50ml 於 250ml 燒杯中。 3. 將紙條夾在自製多功能木架的第二層鐵絲上，將紙條放入燒杯內。 4. 每隔十分鐘觀察並記錄紅墨水上升高度。 結果： 時間 10 分 20 分 30 分 40 分 50 分 60 分 70 分 1 日 2 日 3 日 4 日 上升 高度 5.5 5.8 5.9 6.3 6.6 6. 9 6.9 7.5 8 8.6 8.6 由上表可得 h-t 圖如下： 024681010分 20分 30分 40分 50分 60分 70分 1日 2日 3日 4日時間 (t)上升高度(h:cm)上升高
7、度由圖表我們定義上限為： 經過 24 小時，紅墨水不再繼續上升，其最後高度為此種紙類之上限。 由此可知，宣紙的上限為 8.6 公分，而其他紙類則以此類推。 5發現 1. 每一種紙類的毛細現象都有上限，但它們的上限不同。 有些紙類上限相近，有些則差距很大；其中以單面卡紙上限最高，博士紙、丹迪紙則很低。 2. 為何各種紙類上限不同呢？我們設計了另一個實驗：找出 三種材質、厚度相同（棉）但密度不同的棉布 （其密度為 40C-15056；40C-14080；40C-128100） ，依實驗一之方法進行實驗，發現 密度越大者，其上限越低。 於是我們利用紙的重量及厚度求各種紙類密度。 種類 宣紙 報紙 棉
8、紙 再生 影印 丹迪 圖畫 水彩 博士 卡紙重量（g） 0.29 0.31 0.34 0.41 0. 59 0.60 1.02 1.23 1.63 2.4 厚度（宣紙數/張） 1 1 1 1.2 1.2 1.2 2.5 3.5 2 8 相對密度 0.29 0.31 0.34 0.34 0.39 0.5 0.4 0.35 0.81 0.3 發現 （1）相除之後的比較密度依序為： 宣紙卡紙報紙棉紙再生紙水彩紙影印紙圖畫紙丹迪紙博士紙 ；即密度大者上限低，密度小者上限高。 （2）前六種紙類之密度非常相近， 在密度相近的情況下，則較厚的紙上限高，較薄的紙上限低。 3. 觀察過程中發現，一開始，棉紙、宣
9、紙遇水時上升速度很快，不久即漸趨緩慢，反而是原先上升並不快的卡紙，後來居上。於是引出下一個實驗，探討速度的不同。 實驗二：各種紙類其毛細現象上升的速度是否相同。 實驗方法 1. 將各種不同材質的紙裁成長 15cm、寬 3cm 的紙條。 2. 在蒸餾水中加入紅墨水，各倒 50ml 於 10 個 250ml 燒杯中。 3. 將紙條夾在自製多功能木架的第一層鐵絲上。 64.在同一時間把紙條浸入水中，每隔五分鐘，用尺測量水上升的高度。 實驗結果 （原始資料見附件： 表2） 宣紙 報紙 棉紙 卡紙 再生紙 影印紙 圖畫紙 水彩紙 丹迪紙 博士紙5 分鐘 3.7 3.6 3.28 1.13 1. 13 0
10、.9 0.75 0.7 0.06 0 10 分鐘 4.5 4.22 3.8 1.77 1. 33 1.23 1.1 0.97 0.1 0 15 分鐘 5.27 4.93 4.17 2.08 1. 67 1.33 1.27 1.13 0.1 0 20 分鐘 5.83 5.3 4.5 2.47 1. 87 1.43 1.37 1.23 0.1 0 0123456宣紙 報紙 棉紙 卡紙 再生紙 影印紙 圖畫紙 水彩紙 丹迪紙 博士紙紙的種類上升平均高度(單位:公分)5分鐘10分鐘15分鐘20分鐘上 升 高 度 紙的種類 上升時間7發現 1. 紅墨水上升的速度依次為宣紙、報紙、棉紙、卡紙、再生紙、影印
11、紙、圖畫紙、水彩紙、丹迪紙、博士紙。 2. 根據實驗一的檢驗實驗，我們同時發現速度與紙類密度有關： 密度低者，上升速度快；密度高者快，上升速度慢。若密度相近時，薄的快，厚的慢。 使用不同的紙類放入相同的液體，其毛細現象之速度固然不同，若使用相同紙類放入不同液體，其結果不知如何？ 實驗三：各種液體對紙類產生毛細現象之異同。 實驗方法 1. 將宣紙（以下實驗均採用宣紙，因其上升速度快易於觀察）裁成長 15cm、寬 3cm 的紙條。 2. 將十種不同種類的液體 50ml 分別倒入 10 個 250ml 的燒杯中。 3. 將紙條夾在自製多功能木架的第一層鐵絲上。 4. 在同一時間把紙條浸入溶液中，每隔
12、五分鐘，用尺測量水上升的高度。 實驗結果 （原始資料見附件： 表3） 可樂 醋 紅茶 水 米酒 牛奶 養樂多 醬油 沙拉油 番茄醬5 分鐘 6.03 6.67 5.77 5.4 4. 7 3.67 3.43 2.63 1.9 1.37 10 分鐘 8.8 8.3 8 7.57 7 5.1 4.83 4.33 2.63 1.67 15 分鐘 10.13 10.13 9.97 9.67 7. 77 6.13 5.73 5.4 3 2.2 20 分鐘 10.63 10.43 10.17 10.3 9.9 6.63 6.37 6.33 3.37 2.33 上 升 高 度 液體種類 上升時間8發現 1.
13、 液體上升速度約分為三大部分，依次為： （一）濃稠度低：可樂、醋、紅茶、水、米酒。 （二）濃稠度次之：牛奶、養樂多、醬油。 （三）濃稠度高：沙拉油、番茄醬。 2. 濃稠度越低者，上升速度越快。 3. 濃稠度低的溶液含水量都很高，但其成分標示、含量並不清楚，我們想知道水溶液的濃度是如何影響其上升速度，於是設計下一個實驗。 實驗四：液體濃度如何影響紙類毛細現象之速度。 實驗方法 （一）冰醋酸 1. 準備 6 個 250ml 的燒杯，分別裝入純水及濃度各 20、40、60、80、100的冰醋酸水溶液。 （註：此處濃度為體積濃度） 0123456789101112可樂醋紅茶 水米酒牛奶養樂多醬油沙拉油
14、 蕃茄醬液體種類上升平均高度(單位:公分)5分鐘10分鐘15分鐘20分鐘900.511.522.5純水20醋酸40醋酸60醋酸80醋酸100醋酸醋酸濃度上升高度5分鐘10分鐘15分鐘20分鐘2. 將宣紙裁成長 15cm、寬 3cm 的紙條。 3. 將紙條夾在自製多功能木架的第一層鐵絲上。 4. 在同一時間把紙條浸入燒杯中，每隔五分鐘，用尺測量水溶液上升的高度。 實驗結果 （一） ： （原始資料見附件：表 4-1） 純水 20醋酸 40醋酸 60醋酸 80醋酸 100醋酸5 分鐘 1.3 1.13 1. 2 1.03 0.83 0.6 10 分鐘 1.73 1.63 1. 46 1.33 0.9
15、3 0.8 15 分鐘 2.03 1.86 1. 63 1.43 0.89 0.8 20 分鐘 2.33 2.1 1. 76 1.53 1.16 0.83 上 升 高 度 醋酸濃度 上升時間10（二）酒精 1. 準備 6 個 250ml 的燒杯，分別裝入純水及濃度各 20、40、60、80、95的酒精水溶液 50ml。 （註：此處濃度為體積濃度） 2. 將宣紙裁成長 15cm，寬 3cm 的紙條。 3. 將紙條夾在自製多功能木架的第一層鐵絲上。 4. 在同一時間把紙條浸入燒杯中，每隔五分鐘，用尺測量水溶液上升的高度。 實驗結果 （二） ： （原始資料見附件：表 4-2） 純水 20酒精 40酒
16、精 60酒精 80酒精 95酒精 5 分鐘 3 2.8 2.76 2.73 2.31 2.1 10 分鐘 3.36 3.23 3. 13 3.03 2.3 2.3 15 分鐘 3.76 3.56 3. 4 3.3 2.67 2.43 20 分鐘 4 3.8 3.73 3.63 2.81 2.67 上 升 高 度 酒精濃度 上升時間036純水 20 40 60 80 95液體濃度上升平均高度(單位:公分)5分鐘10分鐘15分鐘20分鐘11（三）食鹽 1. 準備 4 個 250ml 的燒杯，分別裝入純水及濃度各 5、10、15的食鹽水溶液 50ml。 （註：此處濃度為重量濃度，15以上的食鹽水溶液
17、已飽和） 。 2. 將宣紙裁成長 15cm、寬 3cm 的紙條。 3. 將紙條夾在自製多功能木架的第一層鐵絲上。 4. 在同一時間把紙條浸入燒杯中，每隔五分鐘，用尺測量水溶液上升的高度。 實驗結果 （三） ： （原始資料見附件：表 4-3） 純水 5食鹽 10食鹽 15食鹽 5 分鐘 1.73 1.7 1.4 1.33 10 分鐘 2.3 2.26 1.93 1.8 15 分鐘 2.7 2.66 2.31 2.16 20 分鐘 3 3.03 2.53 2.43 上 升 高 度 食鹽濃度 上升時間01234純水 5 10 15液體濃度上升平均高度(單位:公分)5分鐘10分鐘15分鐘20分鐘12（
18、四）糖 1. 準備 4 個 250ml 燒杯，分別裝入純水、5、10、15的糖液 50ml。 （註：此處濃度為重量濃度，15以上的糖水溶液已飽和） 。 2. 將宣紙裁成長 15cm、寬 3cm 的紙條。 3. 將紙條夾在自製多功能木架的第一層鐵絲上。 4. 在同一時間把紙條浸入燒杯中，每隔五分鐘，用尺測量水溶液上升的高度。 實驗結果 （四） ： （原始資料見附件：表 4-4） 純水 5白糖 10白糖 15白糖 5 分鐘 2.4 2.31 1.9 1.8 10 分鐘 3.16 3.06 2.43 2.26 15 分鐘 3.76 3.63 3.06 2.9 20 分鐘 4.18 4 3.1 3.0
19、3 上 升 高 度 糖水濃度 上升時間012345純水 5 10 15液體濃度上升平均高度(單位 :公分 )5分鐘10分鐘15分鐘20分鐘13發現 1.冰醋酸、酒精、食鹽、糖的 濃度越高，液體上升速度越慢。 2.冰醋酸溶液和酒精溶液的上升速度， 隨濃度漸漸升高，其速度漸漸變慢； 但鹽水和糖水溶液則區分為兩部分，純水和 5水溶液速度相近，10和 15水溶液速度相近。 確定液體濃度會影響紙類毛細現象後，我們想試試看溫度是否也會造成影響？ 實驗五：液體溫度是否影響紙類毛細現象之速度 實驗方法 1. 將宣紙裁成長 15cm、寬 3cm 的紙條。 2. 準備 9 個 250ml 的燒杯，分別裝入溫度分別
20、為 0-10，10-20，20-30，30-40，40-50，50-60，60-70，70-80，80-90的蒸餾水各 50ml。 3. 將紙條夾在自製多功能木架的第一層鐵絲上。 4. 在同一時間把紙條浸入燒杯中，每隔五分鐘，用尺測量水溶液上升的高度。 實驗結果 （原始資料見附件：表 5 ） 010 1020 2030 3040 4050 5060 6070 7080 809030 秒 0.2 0.43 0.46 0.46 0.4 0.46 0.43 0.46 0.46 60 秒 0.46 0.56 0.63 0.6 0.63 0.63 0.66 0.66 0.8 90 秒 0.63 0.66
21、 0.8 0.86 0.9 0.83 0.9 1 1.03 120 秒 0.73 0.73 0.9 0.96 0.96 0.96 1 1.16 1.26 上 升 高 度 液體溫度 上升時間14發現 溫度越高時，上升速度越快。 實驗六：液體顏色是否影響紙類毛細現象之速度。 實驗方法 1. 將宣紙裁成長 15cm、寬 3cm 的紙條。 2. 使用電子秤測量水彩顏料的重量，再將等量的水彩顏料分別置於 250ml 的燒杯中，加入蒸餾水至 50ml，攪拌均勻。 3. 將紙條夾在自製多功能木架的第一層鐵絲上。 4. 在同一時間把紙條浸入燒杯中，每隔五分鐘，用尺測量溶液上升的高度。 00.20.40.60.
22、811.21.401010202030304040505060607070808090液體溫度()上升平均高度(單位:公分)30秒60秒90秒120秒15實驗結果 （原始資料見附件：表 6 ） 白色 黃色 茶色 朱色 紅色 綠色 青色 藍色 黑色 紫色5 分鐘 2.06 2.13 2.13 2.16 2. 16 2.16 2.16 2.13 2.16 2.13 10 分鐘 2.33 2.36 2.4 2.4 2. 4 2.4 2.5 2.43 2.37 2.33 15 分鐘 2.6 2.46 2.67 2.53 2. 67 2.6 2.67 2.67 2.67 2.56 20 分鐘 2.73
23、2.63 2.83 2.7 2. 76 2.67 2.73 2.83 2.73 2.73 上 升 高 度 液體顏色 上升時間0123白色 黃色 茶色 朱色 紅色 綠色 青色 藍色 黑色 紫色顏色上升平均高度(單位 :公分 )16發現 水彩顏料顏色的不同並不影響水溶液上升的速度。 實驗七：液體多寡是否影響紙類毛細現象之速度。 實驗方法 1. 準備 5 個燒杯，分別裝入 50ml、100ml、150ml、200ml、250ml 的蒸餾水。 2. 將宣紙裁成長 15cm、寬 3cm 的紙條。 3. 將紙條夾在自製多功能木架的第一層鐵絲上。 4. 在同一時間把紙條浸入燒杯中，每隔五分鐘，用尺測量水上升
24、的高度。 實驗結果 ： （原始資料見附件：表 7 ） 50ml 100ml 150ml 200ml 250ml 5 分鐘 2.13 2.16 2.2 2.25 2.16 10 分鐘 2.83 2.63 2.76 2.76 2.76 15 分鐘 3.36 3.2 3.23 3.3 3.36 20 分鐘 3.9 3.83 3.93 3.86 3.85 上 升 高 度 液體體積 上升時間17發現 液體多寡並不影響水上升的速度。 實驗八：紙類放入液體面積大小是否影響毛細現象之速度。 實驗方法 1. 準備 5 個燒杯，分別裝入 50ml 稀釋紅墨水。 2. 將宣紙裁成長 15cm、寬 3cm 的紙條，並
25、分別在 1 公分、2 公分、3 公分、4 公分、5 公分處作紀錄。 3. 將紙條夾在自製多功能木架的第一層鐵絲上。 4. 在同一時間把紙條浸入燒杯中，但五張紙放入的高度不同，分別為 1 公分、2 公分、3 公分、4 公分、5 公分，每隔五分鐘，用尺測量水上升的高度。 01234550ml 100ml 150ml 200ml 250ml液體體積上升高度(單位 :公分 )5分鐘10分鐘15分鐘20分鐘18實驗結果 （原始資料見附件：表 8） 3 2629212 215 25 分鐘 6.95 6.7 6.75 6.6 6.9 10 分鐘 9.65 9.45 9.4 9.4 10.1 15 分鐘 11
26、.85 11.5 11.3 11.3 12.2 20 分鐘 13.3 12.9 12.8 12.8 13.4 擴 散 面 積 面積大小 上升時間024681012141636 91215紙類放入紅墨水面積 (單位 :平方公分 )擴散面積(單位:平方公分)5分鐘10分鐘15分鐘20分鐘19發現 1. 放入水溶液面積大小並不影響水上升速度。 2. 大部分人以為：放入溶液的面積越多，則吸水的速度越快是一種錯覺。 六、討論 1. 進行實驗時，原先是將紙條夾在衣架上，因衣架易晃動，影響數據甚大，因此改用木板釘一個長方形架，木架中間橫掛三條高度不同的鐵絲，既可同時進行數個實驗又可因應不同長度的紙張。 2.
27、 有些實驗為方便觀察，於是加入紅墨水， 惟濃度實驗為力求數據之準確，並沒有加 紅墨水。 3. 實驗一和實驗二中的驗證實驗，我們找到同材質不同密度的布，材質為 100棉，密度分別為 A：40C-128 100；B：40C-140 80；C：40C-150 56。其中 ” 40C ” 表示棉線的粗細，也有 50C、60C，數字越大者線越細。而 40C 後面的 ” X Y ” ，表示一立方英吋面積布料的經線和緯線數目，X 為經線，Y 為緯線。因此上述三塊布的密度依次為：ABC。 4. 實驗中需用油性筆在布和紙上作記號，不能使用水性筆，因其顏料會隨水的毛細現象移動。 5. 市售乙醇最高濃度為 95，其
28、中 5為雜質，考慮國小五年級學生對體積濃度演算程度尚未成熟，因此計算時均將乙醇以 100計。 6. 調製冰醋酸溶液時宜帶口罩，因其氣味刺鼻難聞，亦可培養學童進行化學實驗帶口罩的習慣。 7. 在紙類上限實驗中，發現前六名內，再生紙製品 （卡紙、報紙、再生計算紙）就佔了三名，而且還包辦了前兩名，建議可沿著此方向再深入探討再生紙與原生紙之異同。 20七、結論 1. 每一種紙類在水中的毛細現象上限高度不一定相同，其 上限高度與其密度有關：密度大者，上限低；密度小者；上限高。若密度相近，則較厚者上限高；較薄者上限低。 2. 各種紙類在水中的毛細現象速度也不一定相同，其 速度與其密度亦有關：密度大者速度慢
29、；密度小者速度快。若密度相近，則較薄者速度快；較厚者速度慢。 3. 種類不同的液體會影響紙類毛細現象的速度。 液體的濃稠度越高，速度越慢 ；濃稠度越低，速度越快。 4. 水溶液的濃度不同會影響紙類毛細現象的速度。 濃度高者速度較慢；濃度低者速度較快。 5. 液體的溫度和紙類在水中的毛細現象速度成正比，也就是 溫度越高，速度越快 ；溫度越低，速度越慢。 6. 不同顏色的水溶液其毛細現象速度並無很大差異。 7.將等面積宣紙放入不同水量的燒杯中，發現 水量不同並不影響毛細現象上升速度。 8.將不同面積宣紙放入同水量的燒杯中，發現 放入的面積大小並不影響毛細現象上升的速度。 八、參考資料 1. 牛頓教科書自然第八冊 P.6 P.10 2. 牛頓教科書教學指引自然第八冊 P.89 及 P.98 P.101 3. 科學實驗引導 2（小豆芽出版社） P.97 4. 生活科學系列 23 -發現科學-應用科學（財團法人遠哲科學教育基金會出版）P.66，P.67 5. 毛細現象 http:/www.fkps.kh.edu.tw/ipt/ 6. 毛細現象 http:/www.mlsh.mlc.edu.tw/jya/wat4.htm
