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​摘要

根據水的三相圖,我們知道對冰塊施加壓力的時候,冰塊的熔點會下降。這可延伸出一個有趣的物理實驗:復冰現象。當我們藉由一條細線將壓力施加在冰塊上時,被加壓的地方就會因為熔點下降而熔化,細線也就跟著下陷。熔出的水沿著線兩側流到上方而壓力消失,接著因為周圍冰塊的低溫而再次凝固。我們發現復冰程度會受到各種因素的影響,本實驗主要探討外加壓力、細線材質以及環境溫度所造成的不同效應。實驗結果說明外壓越大,線材導熱度越好,則復冰越明顯,然而不同的是施加的壓力會需要大於低限壓力此現象才會表現,但即便是絕熱細線仍會下陷。最後探討環境溫度的影響,結果說明環境溫度愈低,細線下陷便愈不明顯,若溫度下降到一定程度則不會復冰。

實驗目的

一、 觀察並探討不同懸掛重量對下降量的影響

二、 觀察並探討不同材質的懸線對下降量的影響

三、 觀察並探討不同環境溫度對下降量的影響

實驗結果

截圖 2021-09-04 下午10.48.55.png

從實驗一中,得知導熱度較高的線材可在相同時距內傳導較多熱量至冰塊,從而造成較多線材下降量。藉由數據圖可知下降速率與導熱度呈線性關係,且從截距發現即便是無法導熱的材質亦可造成細線下降,因此我們推斷有另外的能量來源,猜測可能是重力作功所提供。

截圖 2021-09-04 下午10.49.03.png

實驗二的結果中,我們得知線材兩端所掛的重量會與下降速率呈線性關係,推測這是因重力作功使冰塊熔化不同而造成。由趨勢線可回推低限重量約為0.193公斤重,恰好可使冰塊開始吸熱熔化。由於冰塊頂端熔化速率約為0.0189cm/min,因此實際可表現復冰現象的最小重量約為0.407公斤重。

截圖 2021-09-04 下午10.49.09.png

最後觀察在不同環境溫度中線材下降量的差異。將砝碼浸泡於恆溫的水中,而水的溫度將調節傳遞至冰塊的熱量。結果中發現下降速率與砝碼所泡的水溫呈線性關係,而沿著趨勢線回推可求出使細線停止下降的最低溫度約為-2.2℃,而理論上懸掛1kgw重錘造成的冰塊熔點應降為-4.1℃,稍有誤差應為實驗裝置設計不周所致。

結論

一、藉由導熱度與下降速率的關係圖,可得在導熱度變化不大,固定重量、環境溫度時,導熱度與下降速率呈線性關係,而由截距可回推絕熱懸線亦會下陷嵌入冰塊中。

二、藉由懸掛重量與下降速率的關係圖,可得在固定材質、環境溫度時,重量與下降速率呈線性關係,而由趨勢線可反推低限懸掛重量。

三、藉由環境溫度與下降速率的關係圖,可得固定材質、懸掛重量時且溫度變化不大時環境溫度與下降速率呈線性關係,而由趨勢線可回推能使懸線下降的低限溫度。

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