幫水搬家的虹吸現象

命題:中國時報108課綱素養團隊 吳彥成老師

中國時報【命題:中國時報108課綱素養團隊 吳彥成老師】

審題:李旭文老師 大家都喜歡欣賞美麗的魚,而水族箱需要定期換水才能常保美麗,那麼換水如何能達到省時又不費力呢?又突然想來一杯源自德國虹吸式咖啡壺沖泡的香醇咖啡、或是家庭汙水排水管的排放、還有屋頂使用虹吸式排雨水系統…等,這種要需要幫水搬家的時候,虹吸現象就可派上用場了。

虹吸(siphon)是一種流體(液體、氣體)力學現象,運用壓力差和液體分子間內聚力的液體移動,可以不藉助泵而抽吸液體。常用以探討虹吸現象的裝置如附圖所示,處於較高位置的液體充滿一根倒U形的管狀結構(稱為虹吸管)之後,使另一端開口於更低的位置,由於虹吸管兩端液體的重量差異會造成兩端液體壓力不同,再考慮燒杯液面承受的大氣壓力,在虹吸管兩端液體壓力差能夠推動液體越過最高點,向低端排放,如果虹吸管兩端容器內的液面達到相等高度時,虹吸現象便會停止。

請根據上述內容與課程所學相關知識,回答下列問題:

1.參考附圖裝置,虹吸管兩端液體的流動的合理推論是?

(A)高處杯體內的液體承受氣壓較大,所以能推動液體向低處杯體流動

(B)虹吸管兩端杯體液面承受氣壓相等,但在低處杯體端高出液面的液柱較高,使此端頂部的向上液壓較另一端小,造成液體向此端流動

(C)高處杯體內的液體承受氣壓較大,而低端虹吸管內液壓也較大,所以能使液體向低端流動

(D)低處杯體內的液體承受氣壓較大,但此端虹吸管內高出液面的液柱較高,於是更大的液體壓力使液體向此端流動

2.請參考附圖並嘗試分析,當兩端燒杯內液面的高度差異變化時,會對液體的流動速率造成何種影響?

(A)兩端燒杯內液面高度差異越大,會使液體流速越快

(B)兩端燒杯內液面高度差異越大,會使液體流速越慢

(C)兩端虹吸管口的高度差異才會影響液體流動速率,而燒杯兩端液面的高度差異並不會影響液體流動速率

(D)只有在兩端燒杯內液面高度相等時會停止流動,而在停止流動之前液體的流動速率不會受到兩端液面高度差異影響

3.王學、王習兄弟兩人騎稱重機環島,途中哥哥王學一時疏忽騎到沒油了,而附近一眼望去都找不到加油站,弟弟王習靈機一動,想把自己油箱的油分一些給哥哥,於是向鄰近的人家借來一根塑膠軟管,依你的判斷,王習的想法是否可行?若可行,他最有可能利用何種科學原理達成?

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