你要光還是熱-克魯克斯輻射儀旋轉因素之探討

專題名稱 你要光還是熱-克魯克斯輻射儀旋轉因素之探討

專題描述 我們將克魯克斯輻射儀(Crookes Radiometer)放於太陽下,發現陽光可使輻射儀轉動。我們搜尋資料後,發現兩種假說,一種是光子撞擊造成的,另一種是溫差造成的。嘗試以各種不同的光照射輻射儀,發現有些光會使輻射儀葉片轉動,有些光不會使輻射儀葉片轉動。後來我們發現,照射溫度計時,可使溫度計上升的光皆可讓輻射儀葉片轉動。且以吹風機熱風吹拂或以70℃的熱水澆淋,也都可以讓輻射儀的葉片轉動,所以我們確定輻射儀轉動的原因是「溫差」,因此我們設計各種實驗,來探討以各種不同的方式提供環境的溫度差,對輻射儀葉片旋轉造成的影響。

隊伍名稱 你要光還是熱

指導老師 紀博三 

參賽學生 王宇森 黃鈺婷  

序號檔案內容上傳者
10作者 Dakang Ma, Doctor of Philosophy
來源 Dakang Ma, Doctor of Philosophy
描述 輻射壓力的測量
並量身定制的動力轉移
通過可切換的光子器件
黃鈺婷
9作者 清華大學物理系
來源 清華大學物理系
描述 清華大學物理學系:物理實驗室所做的有趣物理現象的演示。其中演示了輻射儀的轉動。其中提出的問題:
1.玻璃容器內部是一大氣壓?還是真空?抑或是某特殊壓力?
2.內部是否有氣體?有的話,是哪一種氣體?
3.玻璃容器內部需要填充特別的氣體嗎?
都是我們值得探討的
黃鈺婷
8作者 JANE WESS
來源 The Science Museum
描述 克魯克斯輻射儀除了我們常見的球形以外,還有許多形狀。而他們的原理皆大致相同。
黃鈺婷
7作者 E.P. Muntz, A.A. Alexeenko*, S.F. Gimelshein*, A
來源 University of Southern California, Department of Aerospace and Mechanical Engineering Los Angeles
描述 輻射儀的旋轉原因是內部氣球的流動,但通常流動的分子會少於吸附在葉片上的分子。
黃鈺婷
6作者 Songze Chen,Kun Xu,Cunbiao Lee
來源 美國物理學會
描述 使用移動網格研究2D旋轉克魯克斯輻射計的動力學。用數字模擬葉片在稀薄氣體環境中不穩定地啟動到最終穩態旋轉運動整的演變過程。通過數值研究,得出了不穩定的力量沿著葉片分佈,動態地驅動風扇運動被捕獲。
黃鈺婷
5作者 David Wolfe, Andres Larraza , and Alejandr
來源 Department of Physics, Naval Postgraduate School
描述 給定輻射儀熱源時,會讓黑白兩面產生壓力差,進而使葉片轉動。
黃鈺婷
4作者 Kazuki DENPOH
來源 http://www2b.biglobe.ne.jp/~denpoh/Research/Presentation/kd_5th-SVSJ_Yokohama_2017_2P01.pdf
描述 探討溫度和壓力的另一個可能的起源,假設輻射儀受到照射後內部溫度均相同。
黃鈺婷
3作者 Arbor scientific
來源 Arbor scientific
描述 輻射儀內部若氣壓太大,則會使阻力過大,無法使葉片轉動;若氣壓太小,則無法使輻射儀轉動。因此要取得剛好的氣壓相當重要。
王宇森
2作者 Luc Mieussens, Guillaume Dechristé
來源 Institut de Mathématiques de Bordeaux Université de Bordeaux
描述 模擬輻射儀內稀薄的氣體效應,並探討輻射儀葉片最佳的形狀以及其葉面上所受的力量分布為何。
黃鈺婷
1作者 廖冠翔 陳光祥 蕭景文
來源 中華民國第四十八屆中小學科學展覽會
描述 燈泡功率越高,距離越近,輻射儀吸收的能量越多,轉速越快。低壓的情況下,造成輻射計轉動的主因應是「單一葉片黑白兩面的溫差」與「不同的溫度環境對輻射計內部空氣阻力大小的影響」。
王宇森

序號封面照內容說明上傳者
9類別 相簿集
名稱 澆淋冷/熱水對於輻射儀轉速的影響,實驗情形
說明
利用澆淋冷水熱水來探討熱對於輻射儀轉速的影響,亦間接證明光線不為使輻射儀轉動的主要原因。
黃鈺婷
8類別 相簿集
名稱 澆淋冷/熱水對於輻射儀轉速的影響,實驗情形
說明
利用澆淋冷水熱水來探討熱對於輻射儀轉速的影響,亦間接證明光線不為使輻射儀轉動的主要原因。
黃鈺婷
7類別 相簿集
名稱 單獨照射葉片實驗情形
說明
我們在紙板以及木板上挖洞,藉以控制光線集中於一點上,來檢視單獨照射葉片時的旋轉情況。
黃鈺婷
6類別 相簿集
名稱 單獨照射葉片實驗情形
說明
我們在紙板以及木板上挖洞,藉以控制光線集中於一點上,來檢視單獨照射葉片時的旋轉情況。
黃鈺婷
5類別 youtube影片
名稱 0829太陽光照射測試
說明
我們在紙板以及木板上挖洞,藉以控制光線集中於一點上,來檢視單獨照射葉片時的旋轉情況。
黃鈺婷
4類別 youtube影片
名稱 0829,距離10cm,第一次
說明
我們在紙板以及木板上挖洞,藉以控制光線集中於一點上,來檢視單獨照射葉片時的旋轉情況。
黃鈺婷
3類別 youtube影片
名稱 0829,距離30cm,第一次
說明
我們在紙板以及木板上挖洞,藉以控制光線集中於一點上,來檢視單獨照射葉片時的旋轉情況。
黃鈺婷
2類別 youtube影片
名稱 2017-11-24吹風機熱能對輻射儀轉速的影響
說明
我們在紙板以及木板上挖洞,藉以控制光線集中於一點上,來檢視單獨照射葉片時的旋轉情況。
黃鈺婷
1類別 youtube影片
名稱 0829,距離20cm,第二次
說明
8/29光照距離對輻射儀轉速的影響-手電筒
20cm,第三次實驗
黃鈺婷

序號內容上傳者
10作者 黃鈺婷
標題 自製輻射儀
內容
與其字面上探討輻射儀內部的裝置,倒不如打破輻射儀的玻璃屏障!仔細觀察內部的構造!我們嘗試打破輻射儀,取出內部輕薄的葉片,放到玻璃罐裡模擬輻射儀內部的真空裝置,在這個實驗中我們可以得知,在一大氣壓下的輻射儀是不會轉動的,也與我們的推論相符合,但是由於各種原因,我們的真空裝置一直無法穩定的控制住氣壓,使得實驗無法進行下去,這個問題還有待我們解決。
雖然說打破價值千元的輻射儀有點心疼,但是能讓我們的研究更完整,我覺得非常值得!

黃鈺婷
9作者 黃鈺婷
標題 對於研究的進一步討論
內容
根據初步實驗的結果,我們可以推論:影響輻射儀轉動的因素應該為「熱」,下一步我們打算繼續對於熱能對輻射儀的轉動影響以及細部探討輻射儀內部的轉動機制。我們整理出了幾個理論 :
一、黑色面葉片吸熱,光線照射後,周圍氣體分子吸收熱量,溫度變高,平均動能也跟著提高,產生力量撞擊黑色面,使得輻射儀轉動
二、黑色面吸熱,周圍氣體分子溫度較高,但最後輻射儀內部溫度應到達平衡,所以氣體就會往白色面移動,甚至繞過葉片,對於葉片產生一個反方向的推力。
此兩種解釋的差異是在於,氣體分子移動方向的不同,但如何觀察到氣體的流動方向,仍是一個未知,值得我們繼續思考!

黃鈺婷
8作者 王宇森
標題 假日到圖書館找尋相關資料
內容
我們原本以為可以找到許多有關輻射儀的書,但到現場找書時才發現沒有太多有關輻射儀的書,因此我們只好找尋有關於原理的書,像是熱能、光子等。可是找到的書相當的專業、艱深難懂,所以我們必須努力,來找出重點並找尋與研究相關的內容。

王宇森
7作者 黃鈺婷
標題 研究進行中
內容
在進行實驗的過程中,我們依然會繼續搜尋與輻射儀相關的資料,也就是在閱讀這些資料時,我們常常遇到科學中的專有名詞或是尚未學到的物理觀念,許許多多艱深難懂的字彙,讓我們在文獻探討上感到困難。除了文獻探討上的難題,我們也經常在每一次的實驗討論中改變我們對於輻射儀轉動機制的觀點。儘管如此,我們仍舊秉持著不氣餒的態度,上網查詢相關概念,或是向師長請教,這些困難與難題,絕對會成為我們向上的動力!讓我們的研究更完整!

黃鈺婷
6作者 王宇森
標題 最後的文本衝刺
內容
我們做了相當多的實驗,產生了許多的數據,導致我們比較難分析,因此我們在分析數據上花了相當多時間。還有,礙於篇幅的問題,我們無法將我們做的數據全部放入文本中,只能挑選較重要的實驗放入,這也是我們必須學習的—找重點。
這次小論文讓我學到了許多,像許多科學專有名詞,甚至是實驗的操作、數據整理等。因為這個契機,讓我得到了許多平常在班上沒辦法學到的知識,甚至是技巧。

王宇森
5作者 黃鈺婷
標題 初步設計實驗
內容
在確定研究方向為:探討輻射儀轉動機制後,我們開始針對設計實驗做思考。在文獻搜尋的過程中,我們發現:所有關於克魯克斯輻射儀轉動機制的報告及文章中,可大致分為一、「光壓理論」,當光照射輻射儀葉片時,光子撞擊葉片,在葉片的葉面上產生壓力,使得葉片產生轉動。二、「熱能論」,光線照射時,不僅產生光,亦產生熱,輻射儀內因黑白葉面吸熱量的不同,內部形成壓力差,使得葉片轉動。三、其他。經過討論後,我們決定先從「光壓」與「熱能」中,找出真正使輻射儀轉動的因素!

黃鈺婷
4作者 王宇森
標題 實驗中遇到的問題
內容
我們在做澆淋熱水的實驗時,一開始只是單純地用燒杯裝水後澆淋輻射儀,但後來發現這樣做會使流量不穩定,造成葉片旋轉的不穩定,因此我們思考了許久,決定將寶特瓶倒至於鐵架上,在寶特瓶的瓶蓋和瓶底打洞,用漏斗裝水,並且以手堵住寶特瓶口的洞,一切就緒後再放開瓶口的洞,使水流下。
在做實驗的過程中,常常會遇到問題需要解決,每次解決後總是很有成就感,也學到了許多,這是我們做實驗時得到的。

王宇森
3作者 黃鈺婷
標題 與輻射儀的初次相遇
內容
與輻射儀的初次相遇,是在一個寧靜的午後,當時我們對輻射儀是除了陌生,還是陌生,在看見他受到光的照射後,開始轉動他的扇葉,從一開始的緩慢到急速旋轉,所費時間不過五秒鐘,這奇妙的景象讓我們對輻射儀的好奇又更上一層,於是有了後來的研究,希望在這次研究中,我們能順利找出使輻射儀轉動的真正原因!

黃鈺婷
2作者 王宇森
標題 初步的結果
內容
我們後來發現,用光照不一定可以使輻射儀轉動,我們用了四種光源,分別是:LED手電筒、燈泡手電筒、紅色雷射筆、綠色雷射筆。我們發現,只有燈泡手電筒及綠色雷射筆可以使輻射儀轉動,這讓我們感到疑惑,但剛好想到有人說過輻射儀的旋轉原因是熱能,因此我們將上述的光源照射溫度計三十分鐘後觀察溫度的變化情形,發現燈泡手電筒及綠色雷射筆也可以使溫度計的溫度上升。因此我們初步了解輻射儀旋轉的原因是因為熱,終於有了初步的結果了!
我是第一次做實驗類型的實驗,還有很多要學的地方,當然付出的努力也不能少,繼續加油。

王宇森
1作者 王宇森
標題 對輻射儀不熟悉
內容
剛拿到輻射儀時,只知道將他放在太陽底下會轉,但並不知道還有其他的方法可以使輻射儀轉動,也不知道葉片設計一面黑色,一面白色的目的。因此我們找不到研究的方向。
上網搜尋資料後發現,澆淋熱水、冷水,以吹風機吹彿輻射儀等,都可以使輻射儀轉動。而輻射儀旋轉的原因也眾說紛紜,有人說是因為光壓,有人說是因為熱能。
因此我們找到研究的方向,並設計實驗,加油囉!

王宇森

序號封面簡介(摘要)上傳者
5書名 熱力學與統計物理
作者 楊國藩
出版社 黎明書店
簡介(摘要)
在氣體中,溫度越大壓力越大,而壓力大的地方會流向壓力小的地方,以維持熱平衡。而黑色且粗糙的表面通常較吸熱;白色且平滑的表面通常不易吸熱。
導讀
本書著重於概念的解說,包括熱力學及統計物理。
在熱力學的部分,主要是由名詞的定義衍伸。
在統計物理學上則有完整架構的描述,有三種統計方法,均分別強調了導出方法的限制。
王宇森
4書名 流體力學原理與應用
作者 黃立政
出版社 全華科技圖書股份有限公司
簡介(摘要)
流體力學所含範圍廣闊,其中包含水力學、空氣力學、電磁流體力學等等各式各樣的分門類科,本書針對流體力學各個領域來分別進行探討,詳細說明了各種情況下的定義以及公式。以完整的案例來探討其中的流體動力的現象。
導讀
流體力學是較為艱澀難懂的一門科學,本身的行為及其現象就較固體複雜,初學者總難以掌握,或固守公式不懂變通,導致最後半途而廢。
但流體力學也造就了人類的興盛,涵蓋的範圍之廣,包括了水力學、空氣動力學與器以動力學等等,每單元接可獨成一科,可見博大深奧。
王宇森
3書名 熱力學,氣體運動論及統計力學
作者 吳大猷
出版社 聯經出版事業公司
簡介(摘要)
氣體若溫度越高,則活動得越激烈,壓力也隨之增大,而壓力大的部分會流到壓力小的部分,產生氣流。
導讀
研究一個物理系統可用兩個觀點,第一個微觀,例如原子結構等;另一種是巨觀,例如其溫度、壓力、密度、彈性等。
而本書在第一~第六章章節描述古典熱力學、氣體動力論及統計力學,都相當地深奧,值得我們去探討。
王宇森
2書名 光的故事
作者 何志堅
出版社 台灣書店印行
簡介(摘要)
古希臘人曾提出一個假設:人類的眼睛能看見東西,是因為光線從眼睛裡發射出來,碰到物體我們方能感覺到它的存在。直到十七世紀,牛頓與惠更斯分別提出「光的微粒說」以及「波動說」,開啟了科學家們百餘年的討論,甚至提出電磁輻射波的理論。
導讀
本書先以古代人對光的看法為主,再以科學的角度探討光是什麼,並且探討生活中因為光而產生的物理效應。
王宇森
1書名 簡明流體力學
作者 方中
出版社 玉南圖書出版公司
簡介(摘要)
影響壓力的因素有許多,例如溫度,熱脹冷縮的關係,液體的體積會膨脹或縮小,則液體的密度會隨之減小或增大,壓力也因此增強或減小。
導讀
流體力學這門學科包含的範圍相當豐富,也相當的困難,許多初學者無法理解便難以上手,而本書特別著重於物理現象的解釋,而不是只讓讀者讀完一堆公式之後而難以使用!
王宇森

序號書面報告說明上傳者
1說明 有天,我們在實驗室裡找到很特別的實驗裝置,將它放在陽光底下竟然會開始快速轉動,向老師詢問後才知道,原來它是「克魯克斯輻射儀」(Crookes radiometer),是科學家威廉‧克魯克斯(William Crookes, 1832-1919)發明,用來測量輻射能的儀器。我們感到很好奇,是甚麼原因,讓輻射儀的葉片轉動?進一步搜尋資料之後發現,網路上的說法眾說紛紜,莫衷一是。於是,我們決定著手實驗與研究,想要找出真正讓輻射儀轉動的原因。黃鈺婷

序號書面報告說明上傳者
2說明 有天,我們在實驗室裡找到很特別的實驗裝置,將它放在陽光底下竟然會開
始快速轉動,向老師詢問後才知道,原來它是「克魯克斯輻射儀」(Crookes radiometer),
是科學家威廉‧克魯克斯(William Crookes, 1832-1919)發明,用來測量輻射能的儀器。
我們感到很好奇,是甚麼原因,讓輻射儀的葉片轉動?進一步搜尋資料之後發現,網
路上的說法眾說紛紜,莫衷一是。於是,我們決定著手實驗與研究,想要找出真正讓
輻射儀轉動的原因。(97-2003版本)
黃鈺婷
1說明 有天,我們在實驗室裡找到很特別的實驗裝置,將它放在陽光底下竟然會開
始快速轉動,向老師詢問後才知道,原來它是「克魯克斯輻射儀」(Crookes radiometer),
是科學家威廉‧克魯克斯(William Crookes, 1832-1919)發明,用來測量輻射能的儀器。
我們感到很好奇,是甚麼原因,讓輻射儀的葉片轉動?進一步搜尋資料之後發現,網
路上的說法眾說紛紜,莫衷一是。於是,我們決定著手實驗與研究,想要找出真正讓
輻射儀轉動的原因。
黃鈺婷