3M在家玩科學 : 波浪瓶子

海浪瓶子

是什麼推動海浪? 海浪又是如何在海上移動?

核心概念

  • 波符號
  • 壓力計符號
    壓力
  • 密度符號
    密度

  • 簡介

    你有注意過在海面上上下下擺動的海鷗嗎?可能你也看過衝浪客乘著一道浪,讓浪帶他們回到岸上。 也許你有在湖面上漂浮的經驗,身體在波浪經過時因而上下起伏。你可能也見過被海浪沖上岸的碎屑,例如漂流木。波浪很迷人——它們有各種大小,從微小的波紋到10米高的巨浪。你看得見它們,但你知道,是什麼驅動它們的嗎?,以及它們是如何在海洋中移動的呢?

    在這項活動中,你將把海洋帶回家,在瓶子裡製造海浪。你還將磨練你的觀察能力,找出為什麼有些波浪很慢,而有些很快的原因。

  • 背景

    風製造了海洋上大部分的波浪。它的原理是這樣:風使一層水堆疊到另一層平穩的水位之上。原本在波峰(或峰頂)下的水被多出來的水往下壓,上層水的重量把波鋒下的水推開。被推開的水向外衝,在新的位置再形成另一個波峰後,使這道波浪繼續前進。

    海是在一層空氣(也就是大氣層)下的一層水。因為空氣的密度比水小得多(重量比相同數量的水小1000倍),所以空氣對波浪的影響似乎很小。因此,為了瞭解波浪的原理,你將在水面上加一層油。想知道這與空氣的關係以及對水面上波浪的影響嗎?捲起袖子來試試這個令人震撼的實驗吧!

  • 實驗準備

    1. 把一條布鋪在你的工作區域上(或其他可以弄髒、當桌墊的東西)
    2. 把兩個瓶子都裝1/3的水,使用漏斗可以讓這個步驟順利一些。加幾滴食用色素。
    3. 把一個瓶子的蓋子蓋上,放在旁邊。
    4. 用沙拉油把另一個瓶子裝滿,同上,使用漏斗可以防止油灑出來。
    5. 把這個瓶子的蓋子蓋上,也放到旁邊。
    6. 確保兩個瓶子的蓋子都有旋緊。
    7. 小心地把兩個瓶子帶去你將要做觀察的地方。
    8. 把瓶子平放,準備進行觀察。
    9. 在裝了水和油的瓶子裡你看到了什麼?是水在油的上面,或油在水上,還是混在一起呢?你認為水和油哪一個密度比較大?
    10. 在只裝了彩色水的瓶子裡,你認為水上面會有什麼?水的上面會有東西還是會空空如也?
  • 步驟

    • 從只有裝水的瓶子開始,把瓶子平舉起來,將其中一邊抬高來製造波浪。起浪以後把瓶子放回平面然後觀察波浪。
    • 在裝了油跟水的瓶子裡重複一次上面的動作。有注意到兩者造浪方式的不同嗎?其中一瓶的浪移動得較快嗎?浪有比較高嗎?
    • 想要更容易比較的話,可以計算每次波浪從瓶口或瓶底折返的次數。從只裝水的瓶子開始,平舉瓶子,抬起一邊形成波浪。把瓶子放回水平位置,當波浪到達瓶子的另一邊時,算做一次。
    • 每當波浪碰到瓶蓋或瓶底時數一次,重複這個動作直到波浪消失。
    • 另一個瓶子也重複上面的步驟, 你有注意到差異嗎?哪一瓶會讓你數的要比另一瓶慢呢?這說明了什麼嗎?為什麼呢?下面的延伸實驗可能會給你一些線索。
    • 延伸實驗: 把瓶子都打開,分別放進一個小塊的蠟,然後蓋起來。因為蠟的密度比油大但又比水小,所以蠟會浮在水上但沉在油下。你可能要等一下,待蠟沉進油裡然後浮在水上。把蠟想像成漂在水上的海鷗、船或衝浪客。照前面的步驟再造一個浪,然後觀察那塊蠟如何移動。蠟在浪上會前後還是上下移動呢?你可以解釋你觀察的結論嗎?
    • 延伸實驗:如果你有一個碼表的話,可以測量波的週期。週期是波浪「從波峰到波谷再回到波峰」的時間。回顧你之前的觀察,你認為上面有空氣的波浪和上面有油的波浪的週期是一樣的嗎? 用你的碼表來計時,你的蠟塊從波峰的頂部開始,向下進入波谷再回到波峰的頂部需要多長時間。這個時間正好是波浪的週期。 上面是空氣的波浪和上面是油的波浪兩者的週期是否相同?
    • 延伸實驗:波的頻率是指一秒鐘內有多少個波經過。回顧你之前的觀察,你認為上面是空氣的波浪和上面是油的波浪的頻率是一樣的嗎?你能找到用來測量或計算你造的波浪的頻率的方法嗎?
  • 結果與觀察

    你有注意到被油覆蓋的水會產生特別慢的波浪嗎?

    浪會移動是因為液體上面的波鋒有額外的重量向下壓,把波鋒底下的水推到水比較淺的地方,這在兩個瓶子裡都會發生。

    以裝了水和空氣的瓶子來說,水和空氣會同時壓往深層的水。空氣的密度比水小一千倍,所以當一個波浪經過時,較深的水層會受到所有水堆積在波浪上的重量,波峰和波谷(或最低點)之間的重量差異是波的驅動力。在這種情況下,重量上的巨大差異導致了快速移動的波浪。

    同理,以裝了水和油的瓶子來說,水和油會推往水的深層。就像空氣一樣,油的密度比水小(大約三分之二的密度),所以一定量的油比同樣數量的水的重量輕。因此當水在波浪中堆積時,較多的水和較少的油將壓在波峰下的某個地方。然而在波浪的最淺處,較多的油和較少的水壓在下面的水中。因此,在這種情況下,波峰下的某一點和波谷下的某一點(或波的最低點)的液體重量差異更小,所以波的驅動力也更小,儘管它仍然迫使水從波峰下移動。此外,水和比空氣重的油都要被移動,所以液體的流動相比較輕的空氣在水面上流動時要慢得多。你所觀察到的是於水面上流動速度較慢的波浪。

    在延伸實驗中,你會觀察到蠟主要是上下移動,而波浪則是前後移動。這是因為在波浪中,水平移動的是波浪下的水;而表面的水則會上下移動。

  • 清理

    你可以把染色過的水直接倒進水槽,但是裝了油的那一瓶不能直接倒進去!

    把裝了水和油的瓶子立正放好,然後稍待片刻讓油水分離。挑一個容器來裝你的油(例如你剛才清空的色素水瓶)。小心的把那層油倒進乾淨的容器裡,過程中有水混進來了也沒關係,盡量把油都倒出來了就好。(有漏斗的話請使用漏斗) 你可以把有色的水往水槽倒乾淨,把那瓶用過的油蓋緊蓋子,然後丟進垃圾桶、倒進廚餘桶或上網搜尋哪裡可以捐出這些油。(廢食用油可以變成生物柴油,是一種無毒、可生物降解的燃料,可以為汽車和公共汽車提供動力,比石油基柴油產生的空氣污染物少。)

  • 安全第一與成人監督

    • 請小心按照實驗說明進行操作。
    • 每個實驗應有負責監護的成年人協助。
    • 儘管在家裡進行科學實驗是令人興奮的學習和實踐科學的方法,但必須注意,有些實驗可能要求參與者採取額外的安全措施,以及/或者會把地方弄得髒亂。
    • 成年人應負責或協助處理可能有危險的材料或尖銳物品。
    • 在進行實驗前,成年人應檢視實驗內容,並決定學童的年齡是否適合參與該項活動。