本實驗利用寶特瓶、瓶蓋以及吸管的簡易器材，將瓶子裝水後倒立，水會斷斷續續的流出來，而且瓶子中很規律的冒出空氣泡，好像是在呼吸喔！瓶子會不會呼吸以及呼吸頻率，牽涉多種不同的變因，包含的原理與概念頗為豐富，很適合做為「科學探究」的主題。

 製作過程

一、器材：寶特瓶、玻璃瓶、吸管、電鑽、熱熔槍（膠）

二、準備工作

1.首先準備約700毫升的寶特瓶以及玻璃瓶，二個瓶子的瓶口大小要一樣，而且都可以用瓶蓋轉緊。購買玻璃瓶，請留意大部分的玻璃瓶無法用一般寶特瓶的瓶蓋轉緊，建議帶著瓶蓋，到家庭五金行試驗各種不同的玻璃瓶，挑選瓶口可以被寶特瓶瓶蓋轉緊的玻璃瓶。

2.瓶蓋用電鑽鑽一個直徑6毫米的洞（使用特定尺寸的鑽頭），如圖1，以便可以插入直徑6毫米的吸管（如果拿到的吸管直徑是7毫米，則使用直徑7毫米的鑽頭）。此外，瓶蓋的洞口除了使用電鑽鑽洞，也可以用電烙槍的尖端熔解瓶蓋的方式鑽洞，但是會產生塑膠熔解後的臭味，實驗場所務必保持通風。

3.如果瓶蓋的洞鑽得過大，插入吸管之後有縫隙，用熱熔膠填補縫隙，如圖2，以避免漏氣。

圖1.瓶蓋鑽洞


圖2.以熱熔膠填補縫隙

三、實驗注意事項

1.以下各實驗瓶子裝的水，不要裝太多，都是大約六分滿即可（原因請參見「原理」）。

2.倒立瓶子後，要確定瓶子保持垂直朝下。方法是以手指輕輕按住瓶身最上面（參見圖4），瓶子就會因為下半部的重量而垂直朝下。

3.如果瓶蓋鑽的洞大小恰當，插入吸管後不會漏氣，則可以省略圖2以熱熔膠封閉縫隙的步驟，如此可以直接替換不同長度的吸管，相當方便。但是如果無法掌握鑽洞的大小，要使用熱熔膠封閉縫隙，則必須多準備幾個瓶蓋，以便每個瓶蓋插入不同長度的吸管。

 實驗一

鑽了洞的瓶蓋先不要插吸管，直接蓋在裝了水的玻璃瓶以及寶特瓶上並轉緊，如圖3，然後倒立；觀察瓶子中的水會不會流出來？

實驗結果可以發現：雖然瓶蓋鑽了洞，不論玻璃瓶或是寶特瓶，瓶子中的水都不會流出來。如果上下搖晃一下，水會流出來一點點，但是很快就會停止，水不會持續流出來。


圖3.轉緊瓶蓋（不插吸管）


圖4.倒立瓶子，水都不會流出來

 實驗二

實驗步驟如同實驗一，差別只在於瓶蓋的洞插入一小段吸管（建議約5公分）。實驗結果可以發現，瓶子倒立後，「玻璃瓶」瓶子中的水還是不會流出來，如圖5；但是「寶特瓶」瓶子中的水會一直斷斷續續的流出來，而且很有規律的冒出空氣泡，如圖6，瓶子好像在呼吸喔！最後，寶特瓶中的水會幾乎流光光（視吸管的長度而定）。


圖5.玻璃瓶


圖6.寶特瓶

 實驗三

由實驗二發現寶特瓶的瓶蓋插了吸管後會呼吸，本實驗探討不同的吸管長度與直徑大小「呼吸頻率」的差異為何？「呼吸頻率」指的是：冒出空氣泡的快慢。表1為作者粗略的實驗結果，並未嚴格的操控各項變因，有興趣的讀者可以進行更精確的實驗與測量。

由實驗結果可以發現，長吸管的呼吸頻率比短吸管慢，而且長吸管「呼吸」時，聲音相當大聲，空氣泡也比較大顆，很有趣喔！而直徑較小的吸管，呼吸頻率比直徑大的吸管慢，大吸管的吸呼頻率很快，空氣泡幾乎是連續的冒出來！

表1.「會呼吸的瓶子」實驗結果


影響瓶子呼吸頻率的變因其實相當多，除了上述的瓶子材質、吸管長度與直徑，也包括其他變因，有興趣的讀者可以參閱文後的「探究問題」自行設計實驗，觀察實驗結果的差異。

 原理

首先說明實驗一。瓶蓋沒有插吸管時，無論玻璃瓶或寶特瓶，瓶子中的水為什麼不會流出來（不會呼吸）？原因如圖7，當瓶子倒立後，由於水的重量形成的水壓（PW，如圖7左），水會流出來一點點，造成瓶內的氣壓小於一大氣壓（如圖7右），於是瓶外的大氣壓頂住瓶口，同時水的表面張力阻擋空氣進入瓶內，因此水就無法流出來。

如果瓶蓋的洞口夠大，例如不要蓋瓶蓋，直接將瓶子倒立，水就可以流出來。則是因為瓶口太大，水的表面張力無法阻止空氣進入瓶子，瓶子內外的氣壓一樣，水就會流出來了。


圖7.瓶蓋洞口不插吸管

而實驗二瓶蓋插入吸管，為什麼寶特瓶中的水就可以流出來，而且持續的「呼吸」？而玻璃瓶中的水還是無法流出來？此現象的主要原因是：玻璃瓶的材質比較硬，無法或難以被壓縮（沒有彈性），而寶特瓶可以被壓縮，具有彈性。原理如圖8，依序說明如下：

(1)當寶特瓶的瓶蓋插入吸管倒立後，瓶子中的水會進入吸管往下流動，由於寶特瓶瓶身具有彈性（可壓縮性），因此水流出吸管時，大氣壓力會壓縮瓶身（黃色箭頭）。

(2)當寶特瓶瓶身被壓縮到一定程度（紅色曲線），無法再被壓縮，瓶子中的水就無法再流出來。

(3)瓶子內外的壓力平衡後，寶特瓶瓶身的彈性使得瓶身回覆原來狀態（黃色箭頭），造成瓶子的體積增加，使得瓶內的氣壓小於大氣壓力，因此大氣壓力會將空氣壓進瓶子內（白色箭頭），而回到(1)的狀態。

以上的步驟反覆進行，就形成了寶特瓶會呼吸的現象了。


圖8.寶特瓶的呼吸過程

再詳細說明水會流進吸管的過程，如圖9。當瓶子倒立後，由於水壓差異，如圖9左，因為P1>P2，水會流進吸管內。水一開始流入吸管後，如圖9中，雖然瓶子內的氣壓已經小於一大氣壓，但是由於瓶子中的水壓差異仍然存在，水仍然會流進吸管中（除非P1、P2的壓力差小於瓶子內外的壓力差）。當瓶子內外的氣壓差存在，瓶身就會被壓縮，如圖9右，此狀態即為圖8(2)的狀態，因此造成呼吸的現象。換言之，瓶蓋要插入吸管才能呼吸，主要是因為水會流入吸管，造成寶特瓶瓶身被壓縮。當瓶身被壓縮到一定程度，水不再流入吸管（壓力達到平衡），瓶身則因為自身的彈性恢復原狀（膨脹）而吸進空氣。此外，如果吸管越長，水流入吸管的過程就會越久，而造成呼吸頻率比較緩慢的現象。


圖9. 水流進吸管的過程

另一方面，由於寶特瓶的呼吸，必須具備「壓縮」、「膨脹」二個步驟，因此進行上述的實驗時，寶特瓶的水不能裝太滿，建議約六分滿即可。因為如果瓶子全部裝滿水，由於水的「可被壓縮性」小於空氣，因此瓶身會比較不容易被壓縮，妨礙瓶子進行呼吸。

 探究問題

本實驗適合運用於中小學的科學教學，也很適合做為「探究」主題。首先列出可以進行的探究問題。以下探究問題的「應變變因」都是測量「會不會呼吸」或是「呼吸頻率」。

．玻璃瓶與寶特瓶的差異
A1：不插吸管時，二種瓶子的差異為何（水會不會流出來）？
A2：插入吸管時，二種瓶子的差異為何（水會不會流出來）？

．寶特瓶插入吸管的呼吸頻率差異
B1：插入不同長短的吸管，呼吸頻率有何差異？
B2：插入不同直徑的吸管，呼吸頻率有何差異？
B3：吸管插入瓶中的深度不同，呼吸頻率有何差異？
B4：同時插入二支吸管，呼吸頻率有何差異？

．其他不同操縱變因之呼吸頻率差異
C1：寶特瓶裝的水量不同，呼吸頻率有何差異？
C2：寶特瓶的大小不同，呼吸頻率有何差異？
C3：寶特瓶的材質（或廠牌）不同，呼吸頻率有何差異？

設計實驗時，請留意各個探究問題「控制變因」的掌握，例如「B1：插入不同長短的吸管，呼吸頻率有何差異？」，控制變因就包括了：瓶子的形狀與大小、瓶子裝的水量、吸管直徑、吸管插入瓶中的深度等等。尤其倒立瓶子的過程也要控制一樣，建議先按住洞口（吸管口）再倒立，並且等待約一分鐘，等瓶子中的水靜止穩定之後，再放開手開始觀察。

 各年級教學建議

不同年級可進行的探究問題，建議如下：

一、國小高年級
建議進行較為簡易的探究問題：A1、A2、B1、C1。實驗紀錄則要求學童能「定性觀察」的描述即可，例如何者比較快、比較慢，以及能觀察到瓶子有壓縮、膨脹的現象。原理方面；引導學童能說出瓶子的呼吸牽涉大氣壓力、瓶身的彈性，理解瓶子的呼吸可以類比到我們的肺臟呼吸時，也是有壓縮與膨脹的過程。

二、國中以上
建議國中學生可以增加的探究問題：B2、B3。而高中學生則可以視教學時間以及學生的興趣，自由選擇探究問題。實驗記錄與討論方面，以「定量測量」方式記錄呼吸頻率（每秒呼吸次數），並由實驗結果討論不同操縱變因之呼吸頻率的變化趨勢（正反比關係、線性關係等等），最後再以圖表進行表達與溝通。