把氣壓改變一下初小組
初小組：第三名
縣 市：宜蘭縣
校 名：力行國小
作 者：曾羿碩、游佩姍、范格與、謝雨姍
指導教師：黃美珠、林秀琴
我們是宜蘭縣力行國民小學四年級的一群。本校一向重視科教工作，歷年來是科展比賽的常勝軍。除已連續三年奪得全縣科展團體第一名外，作品並分別獲得全國科展一、二、三及佳作，這均歸功於廖校長松山、全校教師重視科學教育，及家長會全力支持的成果。
這次科展是由黃美珠、林秀琴兩位老師帶領曾羿碩、游佩姍、范格與、謝雨姍四位同學一起實驗研究，游佩姍擬定研究問題參與實驗、曾羿碩設計構思提供設計內容參與實驗、謝雨姍和范格與參與實驗做紀錄、大家共同努力，能獲獎使我們感到十分興奮。
關鍵詞:氣壓平衡、空氣體積變化、改變水的沸點
壹、研究動機
有人一到高山上玩，身體就不舒服，頭暈暈的，據說山上氣壓較低，不能適應。有人在高山上煮飯，沒有辦法把飯煮熟，因為山上氣壓低，還沒到100 ，水就沸騰了。我們想了解：在大小相同的容器中，擠進較多的空氣，是不是會使壓力增加？而在密閉的空間，抽掉一部份空氣，是不是會使壓力降低？而壓力改變後的空間，又會帶來那些現象發生？一連串的疑問，使我們渴望得到解答。在老師的指導下，我們展開了研究和實驗。
貳、研究問題
一、空氣真的佔有空間嗎？
二、從密閉瓶的瓶中，一次可抽出多少空氣？
三、氣壓降低後會產生多大的吸力？
四、空氣的體積會因外在壓力改變而擴張或縮小嗎？
五、氣壓會產生平衡現象嗎？
六、氣壓降低會改變水的沸點嗎？
參、研究器材
有橡膠蓋的瓶子、玻璃管、磅秤、針筒、塑鋼土、AB膠、溫度計、氣球、酒精燈、塑膠管、吹風機。
肆、研究過程及方法
大氣層的範圍太廣泛了，但是以浩瀚的太空來說，地球只不過是一個小小的密閉空間而已。因此我們想用更小更小的空間，所發生的各種現象，來解釋我們賴以生存的大氣。
◎研究問題一：空氣真的佔有空間嗎？
空氣是我們分秒都少不了而必須接觸到的物質，但它是透明的，似乎又看不到，抓不住，雖然它確實存在，卻又讓人感覺似有若無，它真的像固體、液體一樣，佔有空間嗎？
實驗一
空氣佔有空間實驗
一、用排水集氣法證明空氣佔有空間：
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(一)實驗方法： 1.用透明小瓶子裝滿水，瓶口朝下放入水槽中。 2.用針筒在瓶口下方將空氣注入瓶中。（如右圖） 3.空氣進入瓶內瓶內的水被擠出瓶外。
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(二)實驗結果：
瓶內的水會被空氣擠出瓶外，可見空氣也像固體一樣，佔有一定的空間這個空間，沒有一定的形狀，但是它確實存在。
二、用排氣法證明空氣佔有空間：
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(一)實驗方法： 1.取一個透明小塑膠瓶，瓶底挖個小洞。 2.壓住瓶底小洞，瓶口朝下放入水槽中不同的深度，觀察瓶內空氣的變化。（如右圖） 3.放開瓶底小洞，觀察瓶內外的空氣變化情形。
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(二)實驗結果：
1.壓住瓶底小洞，瓶口朝下放入水中，形同密閉空間，空氣仍佔有空間，不易侵占。
2.將瓶子壓入水槽深處，我們可以看瓶口處的瓶內水位略為上升。
3.在水槽中將瓶底小洞放開，則空氣從小洞冒出，瓶內的空間，慢慢的就充滿了水。
(三)我們發現：
1.瓶內的空氣確實佔有空間，這個空間是實實在在的，只是沒有固定的形狀而已。
2.將瓶子壓入水中深處，瓶口的水位會上升，空間減少，可見空氣會因外在因素改變體積。
◎研究問題二：密閉空間的空氣可以抽出來嗎？
從實驗一知道空氣佔有空間，它受壓後體積會縮小，換句話說，就是單位容積內的空氣密度可以增加。居然可以增加，那麼減少一定也是可行的。如果在一個密閉的固定空間，把空氣抽一部份出來，製造一個空氣稀薄，氣壓降低的空間，一定會有很多的現象發生，問題是可以抽出多少空氣？
實驗二
從密閉的空間，可以抽出多少空氣？
一、實驗方法：
1.取一個有橡膠瓶蓋的小瓶子（可以使用針筒而不漏氣），先量出它的容積（要用受壓力不變形的瓶子），再用AB膠將橡膠瓶蓋黏緊，使它不脫落，不漏氣。
2.將瓶子放入水槽中，用針筒將瓶內空氣抽出。
3.拔出針筒時，針筒不要離開水面（避免外面空氣進入針筒內）。因為抽出的空氣較稀薄，針筒內的空氣容積並非正常壓力下的空氣體積，所以在針筒拔出時，就是外在壓力消失了，水就進入針筒，占據空氣以外的空間，沒有被水占據的空間，就是我們抽出的空氣。
二、實驗結果：（如下表）
我們用一個小瓶子（容積29c.c、100c.c），每次用針筒抽出10c.c，做10次，結果如下表：
密閉瓶內的抽氣量實驗 每次抽10c.c
連續抽氣次別 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
容積100c.c 每次抽出量（c.c） |
9.1 |
8.1 |
7.2 |
6.6 |
6.1 |
5.7 |
5.1 |
4.6 |
4.2 |
3.7 |
每次抽出的百分比 |
91% |
81% |
72% |
66% |
61% |
57% |
51% |
46% |
42% |
37% |
容積29c.c 每次抽出量（c.c） |
6.9 |
5.0 |
3.8 |
2.8 |
2.1 |
1.9 |
1.7 |
1.3 |
1.1 |
1.0 |
每次抽出的百分比 |
24% |
18% |
13% |
10% |
79% |
79% |
69% |
59% |
4% |
3% |
三、我們發現：
1.從瓶內能抽出的空氣量，一次比一次少，因此我們可推測瓶內的空氣是越來越稀薄了。
2.瓶內的容積越大，每次能抽出的空氣量越多。
3.在抽空氣時，針筒上有一股壓力存在，抽越多次，壓力越大。
4.由於抽氣後，瓶內有一股強大的壓力，所以使用的瓶子要用堅固而不變形，不漏氣的，才會有較正確的實驗。
四、誤差：
我們計算抽出的空氣量，是用針筒抽出量減去水的補充量。因為水較重，微小的氣壓變化不能作百分之百的補充空間，所以計算抽出的空氣量，會比實際的抽出量少一點點，但是這個小誤差不會影響我們對氣壓變化的解釋。
◎研究問題三：瓶內抽出空氣後，會產生多大的吸力？
在密閉的空間把空氣抽出後，空氣稀薄，壓力降低，瓶內會產生一股吸力來平衡和瓶外的大氣壓力，這股吸力會因為瓶內被抽出空氣多少而有所不同，我們希望能夠把它量出來。
實驗三
量出瓶內被抽空氣後產生的壓力？
|
一、實驗方法： 1.取一個有橡膠蓋子的小瓶子，先量量該瓶子有多少容量。 2.取一10cc針筒，在針筒上 一個掛鉤，以便掛在磅秤上（如右圖）測量氣壓有多少吸力。 3.將針筒插入減壓的小瓶內，針筒就有一股吸力。如右圖所示方法可以量出壓力。
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|
二、實驗結果：（如下表）
抽氣後的瓶內壓力 使用29c.c密封瓶子每次用針筒抽10c.c
三、我們發現：
1.從瓶內能抽出的空氣量一次比一次少。
2.從瓶內抽出空氣時感覺一次比一次重，表示壓力越來越大。
3.在抽氣時，針筒上的留的空間越大，吸力越強，也就是說，針筒停在10cc的位置比停在5cc的位置的位置吸力大。
4.用小口徑針筒吸力較小，大口徑的針筒吸力較大。
實驗四
奇妙的壓力差噴水遊戲。
一、實驗器材製作與操作方法： 1.取一個「栓緊瓶蓋就不漏氣」的透明玻璃瓶（方便觀察），在瓶蓋上加橡膠塊（方便抽氣）。 2.將塑膠管放入水槽中。 3.用針筒從瓶內抽出空氣數次。 4.將瓶子舉高或放低，觀察瓶內的噴水現象。 5.將瓶子倒立觀察瓶內的噴水現象。
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|
二、實驗結果：
1.抽出的次數多，瓶內的噴水越強。
2.瓶子距水槽越高，噴水現象越弱。而平面距離影響較小。
3.連接水槽的塑膠管，越粗越長，則噴水現象也越弱。
三、我們發現：
1.氣壓會自然產生平衡現象，氣壓高的往氣壓低的地方流動。
2.兩個氣壓不同的空間，只要有管線相通，不管液體或空氣，都會流動，直到壓力平衡。
3.因水較重，如果把瓶子舉高或管子太粗，兩空間雖有壓力差，會因水的重力因素而無法平衡。
◎研究問題四：空氣的體積會擴大嗎？
我們了解加壓會使空氣體積縮小，我們推斷：當壓力減小，空氣的體積應該會擴大才是，我們設計了一種實驗方法，來證明我們的推測是正確的。除外，我們還想知道，是不是還有其他因素會使空氣體積擴大，希望這些空氣體積擴大的現象，能讓大家都清楚的看到。
實驗五
周圍壓力降低會使空氣體積擴大嗎？
一、實驗器材的製作： 1.取一支玻璃管，長約30公分裡面充水，只留頂端約1.5公分空間，將頂端以塑膠鋼土密封。 2.以頂端的空間長度為基準，在玻璃管上畫出刻度。 3.取一附有塑膠蓋的瓶子，瓶內加水，只留100cc的空間。 4.將玻璃管穿透塑膠蓋，並使玻璃管插入瓶內水中。 5.用塑鋼土將瓶蓋固定於瓶口上使它不脫落，不漏氣。 6.俟塑鋼土乾固後，即可作實驗。
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|
二、實驗方法：
1.用10cc針筒將瓶內空氣抽出一次再一次多抽幾次試試看。
2.記錄每次抽出的空氣量。（如實驗二方法）
3.因為玻璃管與瓶內相通，瓶內空氣被抽出，空氣稀薄，壓力降低，所以管內的空氣因減壓而使體積擴張。
4.依玻璃管上刻度，讀出空氣體積擴大的倍數。
三、實驗結果（如下表）
空氣減壓後的體積變化 瓶內空氣體積100c.c用針筒抽10c.c
連續抽氣次別 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
每次能抽出的空氣量(c.c) |
9.1 |
8.1 |
7.2 |
6.6 |
6.1 |
5.7 |
5.1 |
4.6 |
4.2 |
3.7 |
3.4 |
2.9 |
2.5 |
瓶內殘留的空氣量(c.c) |
90.9 |
82.8 |
75.6 |
69.0 |
62.9 |
57.2 |
52.1 |
47.5 |
43.3 |
39.6 |
36.2 |
33.3 |
30.8 |
瓶內殘留的空氣比例(%) |
91% |
83% |
76% |
69% |
63% |
57% |
52% |
48% |
43% |
40% |
36% |
33% |
31% |
空氣體積擴張的倍數 |
|
0.1 |
0.3 |
0.4 |
0.6 |
0.7 |
0.9 |
1.1 |
1.6 |
1.9 |
2.3 |
2.8 |
3.1 |
連續抽氣次別 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
24 |
25 |
26 |
每次能抽出的空氣量(c.c) |
2.3 |
2.0 |
1.8 |
1.7 |
1.5 |
1.2 |
1.2 |
1.1 |
1.0 |
1.0 |
0.9 |
0.8 |
|
瓶內殘留的空氣量(c.c) |
28.5 |
26.5 |
24.7 |
23.0 |
21.5 |
20.3 |
19.1 |
18.0 |
17.0 |
16.0 |
15.1 |
14.3 |
|
瓶內殘留的空氣比例(%) |
29 |
27 |
25 |
23 |
22 |
20 |
19 |
18 |
17 |
16 |
15 |
14 |
|
空氣體積擴張的倍數 |
3.5 |
4.1 |
4.6 |
5.2 |
5.8 |
6.6 |
6.9 |
7.5 |
7.8 |
8.6 |
9.2 |
10 |
|
四、我們發現：
1.從密閉空間能抽出的空氣，一次比一次少。
2.在密閉空間，空氣被抽出得越多，氣壓越低。所以在這種環境下空氣會迅速擴張。
3.以每次抽氣和空氣體積的變化來看，在前幾次抽出的空氣量多，而管內的空氣體積擴較少，越往後，抽出的空氣量雖比較少，而管內的空氣體積擴張卻很快。（請參考上表）
4.在100cc的空氣中，用10cc針筒抽出空氣25次，管內體積就擴張10倍。可見空氣體積的變化非常大。
5.將空氣注入瓶內讓瓶內恢復常壓，則管內空氣亦回復原來基準量，可見我們的實驗方法是正確的。
五、實驗應注意事項：
1.本實驗會產生較大的壓力，所以使用的容器必須堅固而不變形的，必須注意安全。
2.每次從瓶內抽出的空氣量卻很少，所以要確保不漏氣，才能找出較正確的答案。
實驗六
加熱會使空氣體積擴大嗎？
一、實驗器材製作與實驗方法：
1.取一個瓶子或鐵罐，接一個塑膠管後，用AB膠或塑鋼土密封。
2.實驗時，將管子一端放入水槽中，或在管子一端接一個氣球。
3.將瓶子放入熱水中或用酒精燈烘熱，或用吹風機吹熱，觀察會發生那些現象。
4.實驗中要特別注意用熱水，用火或用電的安全。
5.不再加熱，讓瓶子回到原來的溫度，觀察發生那些現象。
二、實驗結果：
1.瓶子加熱後，水槽中的管子一直在冒泡。
2.如果將管子一端接氣球，瓶子加熱後，氣球就充滿了空氣。
3.停止加熱後，水槽中冒泡現象即停止，並且隨著瓶子溫度降低，水會從管子流進瓶中。
4.如果管子接氣球，則充氣的氣球會因瓶子溫度還原而回到原狀。
三、我們發現：
1.瓶子不管用那種方式提高溫度，都會使瓶內空氣膨脹。
2.空氣膨脹後，瓶內壓力增加，空氣就向外流動。
3.瓶子溫度降低後，空氣體積還原，因為一部份空氣已經流出瓶外，使瓶內氣壓降低，為了氣壓平衡水槽內的水就被吸進瓶內了。
◎研究問題五：周圍壓力增加會使空氣體積縮小嗎？
實驗七
周圍壓力增加會使空氣體積縮小嗎？
一、實驗器材製作：
1.使用長30公分玻璃管，管內加水，上端留15公分空間後，以塑鋼土密封。
2.將管子固定在附有塑膠瓶蓋的瓶子上，瓶內加水，留100c.c空間後密封起來。
二、實驗方法：
1.用10c.c針筒將空氣打進瓶內一次再一次。
2.觀察每次打進空氣後，玻璃管上的空氣體積變化，並記錄起來。
3.因玻璃管與瓶內相通，瓶內因打進空氣，壓力增加，就壓縮玻璃管內的空氣，使他體積縮小
三、實驗結果：如下表
加壓後的體積變化 瓶內留100c.c空間 每次打進10c.c空間 玻璃管內空氣15c.c
打進瓶內的空氣量(c.c) |
0c.c |
10c.c |
20c.c |
30c.c |
40c.c |
50c.c |
60c.c |
70c.c |
80c.c |
90c.c |
100c.c |
加壓後的空氣(原來15c.c) |
15 |
13.6 |
12.5 |
11.5 |
10.7 |
10.0 |
9.5 |
9.0 |
8.5 |
8.1 |
7.7 |
加壓後的空氣體積百分比 |
100% |
90.7% |
83.3% |
76.7% |
71.3% |
66.7% |
63.3% |
60.0% |
56.7% |
54.0% |
51.3% |
打進瓶內的空氣量(c.c) |
110c.c |
120c.c |
130c.c |
140c.c |
150c.c |
160c.c |
170c.c |
180c.c |
190c.c |
200c.c |
|
加壓後的空氣(原來15c.c) |
7.4 |
7.1 |
6.8 |
6.5 |
6.3 |
6.2 |
5.9 |
5.7 |
5.6 |
5.5 |
|
加壓後的空氣體積百分比 |
49.3% |
47.3% |
45.3% |
43.3% |
42.0% |
41.3% |
39.3% |
38.0% |
37.3% |
36.7% |
|
四、我們發現：
1.空氣受壓後體積會縮小。
2.隨著空氣密度增加空氣體積的縮小速度會越來越慢。
3.在密閉空間，打進與空間相等的空氣，會使空氣體積縮小為原來的一半。
◎研究問題六：氣壓會有平衡現象嗎？
常聽電視氣象報告：「某地有高壓出現，天氣將產生變化。」由此可知冷高壓會移動來產平衡作用。我們希望用兩個小瓶子來解釋氣壓的平衡現象。
實驗八
高低不同的氣壓會產生平衡現象嗎？
一、實驗器材製作： 1.取兩支相同的玻璃管各長30公分，內充水，並留15公分空間。 2.頂端以塑鋼土密封後，固定於瓶子上。 3.另用細塑膠管也固定於瓶蓋上如右圖），一端放進瓶內水中，一端接針頭。 4.將瓶蓋以塑鋼土密封。
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二、實驗方法：
1.把塑膠管折彎用夾子夾住（防漏氣）。
2.用針筒在A瓶上打進空氣，A瓶的玻璃管水柱就會上升。
3.將A瓶針頭插進B瓶後，打開夾子，使塑膠管暢通。
4.A瓶的水會流進B瓶，A瓶水柱下降，B瓶水柱上升，直到兩邊平衡。此時兩瓶水柱比原來的高。
5.拔出針頭後，水柱水位回復原來高度。
三、實驗結果：
氣壓不同的兩個密閉空間，如果有管線相通，則會產生平衡現象。（高氣壓往低氣壓流動）
◎研究問題七：氣壓降低是否會影響水的沸點？
通常水必須到100。C才會沸騰，我們想知道：如果氣壓降低，沸點會不會改變？
實驗九
氣壓降低，沸點是不是也會降低？
通常水必須到100。c才會沸騰，我們想知道：如果氣壓降低，沸點會不會改變。
一、實驗器材製作：
1.取一耐溫的燒瓶，將溫度計固定於瓶蓋上，並將溫度計插入瓶內水中。
2.瓶內加水，只留100cc空間，將瓶蓋用塑鋼土固定，密封。
3.將瓶內的水加溫至90。c左右。因加溫時，瓶內壓力加大，為了安全，不要用太高溫，且加溫時瓶口要插幾個針筒排氣。
二、實驗方法：
1.將自動排氣的針筒拔出，使瓶子成為密閉空間。
2.準備抹布，避免手接觸到熱瓶子。
3.用針筒一次一次將瓶內空氣抽出，使瓶內氣壓降低。
4.計算抽氣幾次，水會再次沸騰，並記錄當時水溫是幾度？
5.不再沸騰時再抽氣看看會不會再沸騰？
三、實驗結果：如下表
水的減壓沸騰實驗 瓶內留100c.c空間 每次用針筒抽10c.c
1.當水仍在高溫但不沸騰時，用抽氣降壓的方法，可使水再度沸騰。
2.當水再度沸騰後，由於瓶內空氣溫度升高，氣壓力也加大，水會停止沸騰，此時用冷毛巾冷敷瓶子的外部，使瓶內空氣降溫，水又會再度沸騰。
3.如此周而復始，水溫雖慢慢降低，卻能數次產生沸騰現象。
四、我們發現：
1.水的沸騰跟氣壓有絕對的關係。
2.我們曾看到攝氏六十幾度，水仍有沸騰現象，反之，我們推測電鍋裡的溫度，應該高過攝氏一百度。
3.冷敷瓶子周圍也可使水沸騰，真是奇妙。
伍、結語：
一、空氣確實佔有空間，只是它流動，讓人感覺不出而已。
二、從密閉的空間抽出空氣會越抽越少，因為它越來越稀薄。
三、氣壓降低後會產生很大的吸力。
四、空氣受壓後，體積會改變。增壓時體積縮小，減壓後，體積擴張很多倍。
五、氣壓會改變水的沸點，氣壓降低，水的沸點相對的降低。
六、兩個壓力不同的密封空間，如有管道相通氣體會留動直至平衡。
評語
實驗證明氣體之體積受壓力影響。氣壓之大小能影響水之沸點，實驗設計簡明、易得。
