麗山火箭飛

資料來源
60-05
文/鄒語騏、吳明德

 前言


108課綱以學習者為中心,培養核心素養落實課程的理念與目標。在十二年國民基本教育課程綱要總綱裡有提到,「『核心素養』是指一個人為了適應現在生活及面對未來挑戰,所應具備的知識、能力與態度。核心素養強調學習不局限於學科知識及技能,而應關注學習與生活的結合。」,因此在進行課程設計時,更應與生活議題做結合。

109學年度麗山高中探究與實作課程,校內教師共備群組開始進行課程的規劃與討論,跨科領域以「物質與能量」、「系統與尺度」的方向進行設計。其中「物理&化學」合科,是由物理吳明德與化學鄒語騏老師合作開課。上學期主題以「電」為知識議題,物理是發電機與電磁感應,而化學則是探究電池的電極與電解質。但實際執行免不了分頭教學的弊病,並未達到真正統整,僅有萬用電表成為雙方所使用的共同工具。所以下學期不採以知識單元作合科教學議題。

下學期主題原以「氣體」為議題,後改為「火箭」作為目標導向。源於鄒語騏老師看Space X火箭的回收紀錄影片,認為以前只能做到將火箭送上外太空,現在卻能連火箭回收的都可以做到如此精確。從那時,鄒老師變成一位火箭迷,便與一同合作的吳明德老師談到這個想法,他一口答應地說:「那我們就做吧!」。於是這門火箭課程就此有了開端。

 壹、課程規劃


麗山火箭飛的課程設計採目標導向,主題圍繞在氣體,此章節在物理與化學課程內著重的方向不同,而內容的整合還須仰賴跨科合作與討論。

課程規劃最需考量的部分為(1)課程目標、(2)課程內容、(3)評量規準與方式。明確的課程目標能夠幫助學生瞭解該門課程的核心價值,而課程內容的訂定可檢視是否對應到學習目標,至於評分規準可幫助學生在學習過程中能隨時檢視自我,離目標還差多少、應該如何做才能達成目標,且給予老師一個較為公正、客觀的評分方式,避免流於主觀意識。

本課程係透過化學及物理科教師協同教學,以引導式探究方式結合物理摩擦力、做功及化學氣體燃燒、化學計量、理想氣體方程式等概念,並以目標導向的課程設計方式,讓學生在實作中體驗探究歷程。

一、物理部分

將塞了管套的注射筒,活塞向外拉出,讓筒內形成真空,緊接放開活塞,受外界大氣壓力作用,依據功能定理活塞獲得動能,撞擊筒形成合體,再由動量守恆計算合體速度,最後注射筒垂直升空。由運動學公式以及藉錄影分析運動軌跡得到飛行高度。至於筒身與活塞摩擦力實驗、用iPad內PhyPhox App測量大氣壓力實驗等,皆讓此研究能更加完整,方便學生分析各變因,而不是沒有根據隨意猜測。

物理注射筒火箭實驗步驟如下:

1.首先利用手機或平板的PhyPhox App測量大氣壓力。大氣壓力會隨環境、高度等狀態而變動,其數值大約在1000百帕(1000hPa)的數值上下附近。

2.其次測量注射筒與活塞之間摩擦力。將注射筒針口處蓋上塞子,並且擠壓活塞使筒內氣體體積減小,但因摩擦力活塞未恢復原來位置,由波以耳定律,計算得到壓縮後的氣體壓力,並由靜力平衡,最終計算得到注射筒與活塞之間的摩擦力數值。

3.以注射筒進行馬德堡半球實驗。假設當注射筒內為真空,活塞受向下砝碼重力mg,以及向上的大氣壓力及摩擦力f,藉由實驗結果比較先前測量的摩擦力與大氣壓力。

4.塞著注射筒針口,活塞與注射筒間並無空氣。先將活塞下拉並隨即釋放,因注射筒內為真空,活塞同時受向上大氣壓力作用上升,以及向下的摩擦力與注射筒重力,由功能定理合力作功等於動能變化,求出注射筒末速,並當上升至最後撞擊了注射筒,由非彈性碰撞計算得到合體的速率。最後由鉛直上拋計算得到理論的上升高度,並與實際的上升高度加以比較。


圖1. 使用PhyPhox App的壓力應用程式,測得大氣壓力為1005.446百帕


圖2. 注射筒蓋上塞子擠壓活塞,因摩擦力活塞未恢復原來位置,藉此計算摩擦力值


圖3. 注射筒內真空,活塞受向下砝碼重力mg,以及向上的大氣壓力P0A及摩擦力f


圖4. 將活塞下拉隨即釋放,活塞受大氣壓力作用上升,撞擊注射筒形成合體並鉛直上拋

二、化學部分

1.實驗原理
化學注射筒火箭,是參考常見的酒精炮彈的原理再加以改良,其原理為酒精液體混合空氣填充在塑膠瓶(通常為養樂多瓶)內,套在點火槍前端,再將養樂多瓶置於熱水中使酒精液體完全汽化後進行點火,塑膠瓶伴隨爆炸聲噴射出去。 乙醇燃燒反應式如下:

雖趣味性十足,但考量到液體未完全汽化時則點火,會造成液體噴濺與起火,危險程度較高,以及不同溫度下飽和蒸氣壓不同,液體汽化的量也有所差異,在探究討論上會較為困難,因此改以製備氫氣取代酒精作為本課程的火箭燃料。雖然氫氣燃燒較為危險,但給予一個安全使用範圍進行操作,相較酒精炮來說較為安全。氫氣燃燒反應式如下:



圖5. 發射火箭時,應做好防護措施

2.火箭主體
主體部分從塑膠瓶及點火槍,改為20mL(或30mL)塑膠注射筒和自製點火裝置,優點在於注射筒上方有刻度,可以觀察到氣體使用量,並在此筒活塞安裝兩針尖,連接導線與壓電材料,按壓產生電弧為火箭點火。以鐵架台搭配三叉鐵夾作為火箭發射台,可將火箭固定於上方進行發射,可以輕易飛行超過 6米以上高度,如同真實火箭一般,具視覺、聽覺的刺激,安全且有趣。


圖6. 火箭置於發射台


圖7. 火箭主體


圖8. 點火裝置

3.氣體置備與收集
取兩個大注射筒(60mL),一個用於收集氫氣,另一個收集氧氣,首先在注射筒尖端套上三向閥,將閥門關緊,接著放置1M氫氧化鈉10mL與4cm x 4cm鋁箔紙,並將內部的空氣經由閥門排出,此時會生成氫氣與偏鋁酸鈉,另一大注射筒步驟皆與收集氫氣相同,放置4mL 35%雙氧水與5mg二氧化錳,產生氧氣與水,最後氫、氧氣體分別藉由三向閥,導入另一作為火箭主體中。

置備氫氣反應如下:


置備氧氣反應如下:




圖9. 氫氣置備


圖10. 將氣體導入火箭筒中

三、探究學習內容

表1. 探究學習課程內容


四、評分規準

表2. 評分規準


 貳、課程實施


一、實體課程

1.第一週發現問題:火箭如何起飛?
首先示範發射物理及化學注射筒火箭,讓學生體驗後,引導發想發射原理、火箭裝置如何做、可能的問題及變因。問題如:火箭如何發射?、火箭裝置涵蓋哪些部分?、要能使火箭飛得愈高需要考量哪些問題?培養學生熟悉科學的探究方法及歷程,以科學探究方式解決未知問題,以及體認科技發展及未來趨勢。


圖11. 示範物理火箭發射


圖12. 示範化學火箭發射


圖13. 小組討論

2.第二~三週規畫與研究:如何自製火箭?
課程開始時,再檢查一次第一週製作的火箭,查看是否有需要改良的地方,以確保該火箭能成功點火發射。接著開始設計各種變因,如討論氣體的比例,瞭解基本化學反應與化學計量的概念,再實際進行氣體製備與收集,進而探討摩擦力與做功與高度的關係,及其對生活中的意義與重要性。實驗過程中可使用軟體輔助解決問題,並隨時在實驗紀錄簿記錄現象及數據。也會強調實驗危險性做好安全防護措施,在安全條件下進行操作也能享受其燃燒爆炸帶來的刺激。


圖14. 實驗操作


圖15. 軟體輔助測量


圖16. 實驗紀錄

3.第四~五週論證與建模:火箭飛高高
利用理論與實際飛行高度差異,計算摩擦力所造成之影響。以及建立化學反應及物理模型,論證可能的飛行結果並提出改進方案。
該週目標:利用推、拉活塞觀察注射筒內氣體的變化,計算摩擦力大小,接著再用砝碼拉動活塞計算摩擦力大小,觀察兩方法之間的差異,接著計算火箭理論飛行高度,進而探討理論值與實際值的差異,給出一個結論。

 
圖17、圖18. 數據分析與討論,進行建模

4.第五週歷程檔案:火箭飛行科學大揭密
引導學生收集每週課程資料與照片,依據科學論文模式編輯歷程檔案。內容要求包含封面、目的、原理、器材、步驟、數據呈現與分析及結論。而評分的方式採用Rubric的評分規準,將每項內容的標準訂為優良、普通、差,以此進行評分。


圖19. 歷程檔案製作

5.第六週表達與分享:火箭發表會
各組上台報告6分鐘,並回答聽眾問題。此時教師進行教學回饋,給予改進建議。

 
圖20、21. 成果發表

二、線上課程

由於今年5月中爆發疫情的關係,因此最後6週同學並無法實際到校參與實作課程,與明德老師討論之下,決定以軟體模擬的方式進行探究。

物理部分利用Algodoo軟體,請同學自己設計一個火箭裝置,並自己設計變因,如阻尼、摩擦力、活塞質量等等,並錄成50秒的影片,於下週上課時進行發表,而此軟體的優勢在於,它跟真實條件是極為相似的,且非常容易獲得數據,像是火箭在發射過程中,可以將其高度與時間的關係以座標軸方式呈現。


圖22. Algodoo軟體模擬物理火箭發射

化學方面則使用NB化學實驗室的軟體進行模擬,學生必須自己設計氫氣、氧氣的製備及收集方式,並利用軟體操作出來,還要進一步檢驗氣體。

化學火箭並非像物理火箭那般容易製作,也因此無法模擬該實驗進行,於是給予好幾筆數據,請同學進行數據判讀以獲得結論。

同學們雖無法實際進行操作,我與明德老師進行線上課程過程中也曾擔心過是否無法訓練到探究的能力,所幸我們擔心是多餘的,我們看見了學生的潛力是無限的,最後呈現的書面報告品質與含量一點也不亞於實體探究的學生,這也是我們感到很欣慰的地方,同時也為線上進行探究課程增加了一點可行性。


圖23. NB化學實驗室模擬氣體置備與收集


圖24. 氣體檢驗

 
圖25、26. 利用試算表進行數據分析與處理


 參、同學成果分享與課後心得


一、成果分享

二、課後心得

1.主動發現問題

(1)「燃料用量要剛剛好,才能達到理想高度」

(2)「如何安全配置藥品」

2.成功引起動機

3.文組學生能積極參與探究課程!
「我是文組,但並不代表我學不來」

4.享受過程、獲得學習成就感

(1)「深深的參與其中,我感到很開心」

(2)「理解所有過程和原理讓我很有成就感」

(3)「自然科學就在我們生活周遭」

5.自我反思、延伸學習
「學生自行針對延伸討論問題,提出可能解釋」

 肆、感想與結語


器材部分尚需克服的困難點在於火箭筒材質發射次數越多,筒壁與活塞間的摩擦力越大,會影響實驗結果,造成誤差,且發射或降落時,針筒突起處易斷,火箭筒壽命約發射5~10次左右。

學生在實驗操作上尚無太大困難,小組合作互相討論,教學相長,惟製作氣體過程中,需老師多注意,安全上無太大疑慮。

如探究與實作課程週數更長,可更深入探討如何解決火箭筒與活塞間摩擦力、針筒突起處易斷等問題。亦可討論加裝降落傘探討降阻力、降落效果及改良。

如遇不可抗力之因素需進行線上探究課程,可思考學生亦取材的主題進行課程設計,也可使用軟體模擬方式進行探究,亦可達到學習目標。

本課程在操作後的學生回饋,即使對理科較不擅長的學生也反應發射火箭課程十分好玩,而數理認知高層次的學生更能領悟理論與技術統整的價值。藉由分享此注射筒火箭課程,期望能對同樣在教授探究課程的老師們有所幫助並進行推廣。

 伍、附錄


下列有兩部影片是因為COVID-19,探究與實作課程必須採取線上教學模式,給高二修課同學的課前教學影片範例,其中影片(一)為使用NB化學實驗室進行實驗模擬。而影片(二)利用Algodoo軟體進行操作,要求每一個同學能自己完成一個50秒以內的彈力火箭模擬影片。

一、鄒語騏(2021),氧氣製備實驗模擬,YouTube/騏騏化學教室/https://youtu.be/88w3TlqYLro

二、吳明德(2021),注射筒彈力火箭,YouTube/搞飛機學物理/https://youtu.be/5Fu4yxZkYmI





鄒語騏
桃園市立桃園高中化學科教師
(107~109學年度任教於臺北市立麗山高中)
吳明德
臺北市立麗山高中物理科教師