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第919期
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【2019/5/15 】 |
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歌德晴雨計在國小自然教學上的應用
文/嚴融怡 臺北市南港區胡適國小教師 |
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現今坊間最常見的晴雨計(weather ball barometer)其實是由十九世紀物理學家路辛維蒂(Lucien Vidi)根據托里切利發現的大氣壓力原理所設計出來預測暴風雨的天氣測報儀器。也常被稱為『歌德晴雨計』(或譯為歌德氣壓計，Goethe barometer，這是以德國文學家歌德的名字來作命名)或是『氣象玻璃』(或譯為天氣球，weather glass)。歌德晴雨計的『天氣球』(weather glass)別名很容易和我們現今所熟知的另一種天氣瓶(又稱為風暴瓶 storm glass或化學天氣瓶 chemical weather glass)混淆，但是歌德晴雨計可同時受到大氣壓力與溫度的影響，進而改變液面高度。而化學天氣瓶則主要僅受到外界溫度的影響，改變瓶內樟腦結晶的形態。
歌德晴雨計曾在十九世紀作為相當風行的天氣測量儀器。雖然後來被其他更精密的氣壓測具所取代。但仍是膾炙人口的科普教具或工藝品，坊間也有許多不同形制和規格。常見設計，是由一個密封玻璃球體與一個狹窄噴管所結合組成，狹窄噴管銜接的位置十分接近球體底座。密封球體的水位一般略低於狹窄噴管。這是因為內部氣體壓力。由於狹窄噴管向外界大氣開放，因此當外界氣壓低於密封球體內的氣壓時，噴管水位便會持續升高；而當外界氣壓增高，噴管水位將會下降，甚至低於密封球體的水位。一般降雨天氣，大氣經常是由低氣壓所主導，因此環境中的大氣壓力偏低；而晴朗天氣，則一般比較偏向高氣壓主導，因此環境中的大氣壓力偏高。因此歌德晴雨計一定程度可反映天氣晴雨。對於六年級自然課程當中所教導的高低氣壓概念，歌德晴雨計是十分具象化的展示工具。孩子們可以透過觀察，實際體驗天氣的變化。同時也可以展示給三年級初次學習天氣的小朋友，讓他們體驗古代科學家的氣象觀測儀器。
但是歌德晴雨計的水位實際上仍會些微受到外界氣溫的影響，當氣溫增高幅度較大時，便會加熱封閉球體的內部氣體，並造成氣體膨脹推擠狹窄噴管的水位抬升。相反地，如果外界氣溫急速下降(例如降雪或擺放到冰庫)，也會迅速造成封閉球體的氣體冷縮，導致狹窄噴管的水位下降。就歌德晴雨計受溫度影響的氣體熱脹冷縮現象，也同樣可作為六年級學生觀察熱對物質體積影響的輔助教具。實際教學應用中，我們還可以教導學生透過寶特瓶和吸管來製作DIY歌德晴雨計，同樣好玩又實用！
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