《臺灣化學教育》第一期(2014年5月) 目錄 n主編的話 u 第一期主編的話/邱美虹〔HTML|PDF〕 n創刊詞及賀詞 u創刊詞/邱美虹〔HTML|PDF〕 u 創刊賀詞/彭旭明〔HTML |PDF〕 u創刊賀詞/陳竹亭〔HTML|PDF〕 u 創刊賀詞/黃萬居〔HTML|PDF〕 u創刊賀詞/連啟瑞〔HTML|PDF〕 u創刊賀詞/李賢哲〔HTML|PDF〕 n 本期專題【專題編輯/胡景瀚】 u蠟燭的化學史––譯者序/胡景瀚、林奕秀〔HTML|PDF〕 u蠟燭的化學史––第一章:蠟燭的製造、燃燒及火焰/胡景瀚、林奕秀〔HTML|PDF〕 u蠟燭的化學史––第二章:蠟燭火焰的組成,蠟燭燃燒需要空氣/胡景瀚、林奕秀〔HTML|PDF〕 u蠟燭的化學史––第三章:蠟燭燃燒產生水、水中的氫/胡景瀚、林奕秀〔HTML|PDF〕 u蠟燭的化學史––第四章:蠟燭中的氫變成水、水中的氧/胡景瀚、林奕秀〔HTML|PDF〕 u蠟燭的化學史––第五章:大氣中的氧和二氧化碳/胡景瀚、林奕秀〔HTML|PDF〕 u蠟燭的化學史––第六章:呼吸作用與蠟燭燃燒之類比/胡景瀚、林奕秀〔HTML|PDF〕 n化學實驗含影片【專欄編輯/廖旭茂】 u自組裝分子膜製程開發及性質研究––防偽標章之製作/呂雲瑞、林明祥〔HTML|PDF〕 n家庭化學實驗【專欄編輯/楊水平】 u馬鈴薯電池的電化學實驗(上)/王楨、楊水平〔HTML|PDF〕 u馬鈴薯電池的電化學實驗(下)/王楨、楊水平〔HTML|PDF〕 n保養品DIY【專欄編輯/鍾曉蘭】 u個人化的保養品––DIY樂趣多/鍾曉蘭〔HTML|PDF〕 n高中化學教學疑難問題與解題【專欄編輯/施建輝】 u製備碘化亞銅與其一系列反應/施建輝〔HTML|PDF〕 n行動學習【專欄編輯/翁榮源】 u行動學習模式在化學教育之應用研究/翁榮源〔HTML|PDF〕 n多元教學法【專欄編輯/鐘建坪】 u高中論證教學設計––以蠟燭燃燒水面上升為例/許綺婷〔HTML|PDF〕 n多元文化的化學【專欄編輯/傅麗玉】 u久久酒科學/陳政修、傅麗玉〔HTML|PDF〕 n化學教育新知【專欄編輯/鐘建坪】 u複雜系統觀點在擴散教學的應用/鐘建坪〔HTML|PDF〕 n化學小故事【專欄編輯/洪振方】 u波以耳與近代化學的誕生/洪振方〔HTML|PDF〕 n國內外化學教育交流【專欄編輯/林靜雯】 u國內外化學教育交流/林靜雯〔HTML|PDF〕 本期整本文章打包,歡迎下載。
主編的話 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所教授國際純粹化學與應用化學聯盟(IUPAC)化學教育委員會主任委員中國化學會(臺灣)教育委員會主任委員mhchiu@ntnu.edu.tw 科學中理論與實驗間有唇齒相依的關係,彼此相輔相成。科學家透過實驗探究未知的世界進而建構理論,同時也透過理論解釋科學現象的結構與機制。其中化學更與實驗有著密不可分的關係,「化學」觀其名,即為變化的科學。而Chemistry這個英文字也常被解讀為“Chem” is “Try”,兩個語詞充分說明化學的本質在於變化與嘗試(實驗),也意味著可為人類帶來探究與驚喜的無限可能。化學家透過嚴謹的實驗設計探討化學過程,也透過周延的理論去解釋化學成分、結構與反應的關係。 2013年瑞典皇家科學院將化學諾貝爾的桂冠獎頒給了以電腦模型演算法預測複雜化學過程的三位科學家:美國哈佛大學和法國史特拉斯堡大學的馬丁.卡普拉斯(Martin Karplus)教授、美國史丹佛(Stanford University)的麥可.李維特(Michael Levitt)教授,和美國南加州大學(University of Southern California)的艾瑞.瓦歇爾(Arieh Warshel)教授,這種計算模擬實驗改變了傳統實驗的觀點,也成為理解分子複雜世界的一個新典範。 由於化學常在世界中扮演重要的角色,如食、衣、住、行、育、樂,皆可見其蹤影。而其解釋往往必須依賴微觀世界的科學語言、符號、模型來解釋。這些複雜的科學系統對化學學習形成高度的認知負荷,雖然實驗趣味性高,卻因化學符號和計算使得學生對化學的學習產生畏懼感。根據兩項國際調查(PISA: the Programme for International Student Assessment和TIMSS: Trends in International Mathematics and Science Study)顯示,臺灣學生在科學表現上屬於高成就、低興趣,尤其是對化學的興趣竟呈現低於「經濟合作暨發展組織」(Organization for Economic Co-operation and Development, OECD)參與國平均值的現象,這樣的結果不失為對教育工作者及政策決策者的一項警惕。 有鑑於化學教育的使命、所面臨的挑戰與可能創造的機會,吾人希望透過本期刊之發行與推廣可以提供廣大讀者對於化學教育的重視,同時也藉此搭起大學與高(國)中化學教育的橋樑。本期刊在作者方面以大學教授和高(國)中教師為主。此次創刊號包括透過化學小故事了解化學史,如洪振方教授的《波以耳與近代化學的誕生》和胡景瀚教授和林奕秀小姐的《蠟燭的化學史》(特別感謝兩位譯者無償讓本刊刊登以饗讀者)。Lakatos曾說:「沒有科學史的科學哲學是空洞的;沒有科學哲學的科學史是盲目的。」這兩篇著(譯)作應可引起讀者對科學意涵的深層思考。為使教學與新興科技接軌,翁榮源教授的《行動學習模式在化學教育之應用研究》為化學教學融入新科技的元素;而鐘建坪老師的《複雜系統觀點在擴散教學的應用》,目的在呼應巨、微觀交互作用的教學觀。在實驗與理論以及實驗與生活結合部分,施建輝老師的《製備碘化亞銅與其一系列反應》為化學實驗教學解惑、呂雲瑞和林明祥兩位老師的《自組裝分子膜製程開發及性質研究─防偽標章之製作》提供化學應用的實例、王楨同學和楊水平教授的家庭化學實驗《馬鈴薯電池的電化學實驗》和鍾曉蘭老師的《個人化的保養品─DIY樂趣多》將化學與生活結合,而陳政修同學和傅麗玉教授的《久久酒科學》則是將化學的觸角推向多元文化的面向,這些文章拓展師生對化學理論的應用深層認識。而許綺婷老師的《高中論證教學設計─以蠟燭燃燒水面上升為例》正好與此次特刊《蠟燭的化學史》呼應,作為一個教學實例說明如何在教學中培養學生論證的能力。此外,林靜雯教授提供豐富的最新國內、外化學教育交流訊息,供讀者參考。 最後,感謝各專欄編輯協助邀稿、審稿、撰稿、與專題規劃,同時感謝台大化學系教授並為中研院前副院長的彭旭明院士、台大化學系及科學教育發展中心主任陳竹亭教授、國立台北教育大學前副校長連啟瑞教授和國立屏東教育大學李賢哲校長為本創刊號撰寫賀創刊賀詞、化學界與化學教育界前輩同意擔任本期刊顧問,以及中國化學會(台灣)協助網域和文章版權相關事宜的處理,使本創刊號得以順利發行。最後,我們選在五月四日德先生(民主)和賽先生(科學)的特殊日子發刊,希望透過此刊物肩負起承先啟後的使命,推動科學思維、科學方法、和科學態度的培養,未來經營此刊物還有賴大家集思廣益、共襄盛舉。
創刊詞──來自主編 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所教授 國際純粹化學與應用化學聯盟(IUPAC)化學教育委員會主任委員 中國化學會(臺灣)教育委員會主任委員 mhchiu@ntnu.edu.tw 中國化學會(臺灣)(Chemical Society Located in Taipei, CSLT)《台灣化學教育》(Chemistry Education in Taiwan, CET)電子期刊在數位熱心人士積極地籌劃並廣邀化學教育學者與教師共襄盛舉下,終於在期盼中出版了! 長久以來,學術成果無法及時反映在實際教學上、學者與教師之間存在認知上的距離。另一方面,教師不易分享教學心得而共建有效的學習。再一方面,學生學習與生活脫節而失去對化學學習的興趣與動機等等的問題層出不窮。這一本電子期刊的目的就是在為化學教育的學術研究與實務教學搭起一個橋樑,以為研究與教學心得創造發表空間、為教師提供一個交流的平台、為學生指引化學與生活相關之路以及啟發其學習動機、興趣、與創造力。我們希望透過此期刊的發行與平台的建立將研究與教學的成果分享給化學教育從業人員、對化學教育推廣愛好者和莘莘學子,並透過此刊物推動並發展我國各級學校的化學教育,培育具化學素養的公民。 有關化學教育期刊方面,在國際間已有許多化學會或學術組織發行不同形式與目的的期刊來提升化學教師專業之能與學生的化學素養,藉以促進化學教育的發展與品質的提升。如美國化學會(American Chemical Society, ACS)出版的學術專業期刊Journal of Chemical Education, JCE (1924~)、適合中學教師和學生閱讀的ChemMatters(1983~);英國皇家化學會(Royal Society of Chemistry, RSC)出版的學術專業期刊Chemistry Education Research and Practice, CERP (2000~)、適合各級教師的Education in Chemistry, EIC1964~),同時也為中學生出版The Mole(2012年以前稱為InfoChem);澳洲皇家化學院(Royal Australian Chemical Institute)為教師出版的Australia Journal of Education in Chemistry, AusJEC (2001~)(前身為Chemeda: The Australian Journal of […]
創刊賀詞 彭旭明 國立臺灣大學化學系講座教授中央研究院院士(前副院長)中國化學會(臺灣)前任理事長smpeng@ntu.edu.tw 欣聞臺灣化學會的教育委員會五月出版第一期《台灣化學教育》電子期刊,企盼搭起大學和高中之間化學教育的橋樑。這是一件大事,更是一件好事,需要大家敲鑼打鼓的支持。傳統教學是老師講授、學生學習,教學的效果是老師與學生共同付出的乘積。現代的教育是多元化、多管道的教育與學習。化學教育電子期刊則是因應這種趨勢所做的努力,讓老師與學生有更多可以互動的平台。 在討論的議題方面,可以是多元的,先進材料的開發以及與生命科學的連結,都是很夯的內容。基本的化學熱力學與量子化學,則是重要的概念。化學熱力學是大學化學不可或缺的知識,但在高中化學是不涵蓋的。量子化學則是牽涉到微觀世界的運動法則,不如古典力學容易了解。這些都是互動的可能議題。 公民活動的成功與否,常取決於公民社會中成員是否積極參與。所以在此特別呼籲大學與高中的師生,積極參與這個電子期刊的誕生與成長,並預祝它順利茁壯生根。
創刊賀詞──台灣化學教育新里程 陳竹亭 國立臺灣大學化學系教授國立台灣大學科學教育發展中心主任jtchen@ntu.edu.tw 十一世紀電子及資訊產業丕變。電子期刊創新了科學社群交流的文化,網路則改變了學術研究的生態。化學教育也因此必須求新求變。 化學學會多年來以《Journal of Chinese Chemical Society》(JCCS)和《化學》(Chemistry)分別服務國際以及國內化學學術社群,提供化學專業資訊。如今推出《台灣化學教育》(Chemical Education in Taiwan, CET),正是展現了跨出化學專業社群,服務社會、服務教育的決心。 化學旨在探究一個眼不能見的微觀世界。這正是常人疏離化學,或認為學習化學有困難的主要原因。但是進入了這個世界,就會發現微觀世界的瑰麗多樣比浩瀚宇宙或大自然的生命世界,令人目炫神怡。《台灣化學教育》不僅能因應台灣亟需有信據的科學知識和資訊,更能主動跨界幫助社會認識化學。特此祝賀。
創刊賀詞 黃萬居 台北市立大學應用物理暨化學系兼任教授台北市立教育大學前理學院院長中華民國科學教育學會監事主席台灣教師專業發展學會常務監事wanchu@go.utaipei.edu.tw 首先我要稱讚邱美虹主編和編輯小組的工作效率,記得去(2013)年12月13日晚上在彰化,參加邱教授與幾位熱心的老師和教授一起籌備出版台灣化學教育電子期刊,短短半年就能出刊,真是化學教育界的福音,從此大學教授和中小學教師之間,多了一個化學教育溝通的平台,促進化學教育的理論與實踐更緊密的結合在一起。 化學知識抽象度高,筆者曾調查大學文組的學生,他們何時開始不喜歡化學?九成左右都說始於國中,因為教師為了學校行政主管和家長要求升學成績,重視紙筆測驗,因此操作實驗的機會減少,學生對於化學知識,採取死背記憶的方式,即便考試成績過得去,可是無法欣賞化學知識之真、善、美。 至於國小的化學教育,主要問題在於師資之素質,因為國小自然科學不是專長科目,有些學校是由年資高教師優先擔任,或成為兼行政教師配鐘點用,這些教師所需要新知報導、教學、評量、教學科技、生活化學、以及實驗等,皆可在本電子期刊得到幫助。 中小學生已具有網路搜尋能力,若能廣為宣傳或由任課教師介紹給學生,讓學生自己閱讀,應該也是蠻好的策略;有些家長為了要與孩子共同學習化學知識,常苦於自己化學素養不足,本電子期刊確實能對他們有所助益,讓親子可以一起學習,對化學的認知,不再停留在化學方程式。 從事化學教育四十六年,能看到這份優質電子期刊發刊,衷心高興。 特別為文祝賀!
創刊賀詞 連啟瑞 國立台北教育大學自然科學教育學系兼任教授國立台北教育大學前副校長東亞科學教育學會前任理事長(2012-13)cjlien@tea.ntue.edu.tw 臺灣之所以可貴,在於臺灣社會的活力、它的國際開創性格、人的善良與土地的持久芬芳。 如臺灣會有危機,那應就是我們放棄去培養優秀、進取、講理性、有關懷、能進取開創的未來人才的一種努力,或者是我們放棄對於維護純淨社會和豐美土地的智慧和堅持。 過去數十年來,臺灣的科學教育在政府、教育主管機關機構、科學家及科學教育者、所有教師的努力下,以為人才培育扎下良好的根基。十年餘來,臺灣的科學教育更與東亞地區的日本、韓國、香港、大陸等,以傑出的學生科學表現受到世界的矚目和艷羨。但,無可諱言,臺灣的科學教育也逐漸感受到更強烈的競爭壓力,許多社會科學素養提升與科學專業人才培育的困境,正在等待完善的解決。 化學,在社會中無處不在,攸關食品、健康、環境、工業的發展,也是和人類的生活、生存、生命息息相關的科學。近年來,重大社會科學議題不斷,民眾化學素養和從業人員之專業知能,都感到亟待提升,化學教育的再起,於今,顯得益發重要。 今日,《台灣化學教育》發刊,是臺灣化學教育一個新頁,也應是為臺灣永續發展的一項重要努力,受邀贅語,榮幸之外,藉此敬表對有識之士的衷心敬佩和對發刊的祝福,謹賀 聚群力 創新頁 以享群倫
創刊賀詞 李賢哲 國立屏東教育大學校長國立屏東教育大學化學生物系教授sjlee@mail.npue.edu.tw 化學是一門物質的科學,周遭的生活中充滿了許多不同的物質,也造就人類所處的環境與化學密不可分的關係,舉諸食、衣、住、行、育、樂,皆和化學能劃上等號。既然如此,莘莘學子和大眾,對於化學的學習或重視的層次又是為何?學生往往因為擔心學業的表現與對實驗藥品的認知,導致對化學學習怯步;而社會大眾,也往往在一連串的事件發生後,才又短暫對化學的議題進行討論或撻伐,顯示國民對化學素養仍有提昇的空間。其中,較有效的方法之一,透過教育的方式來進行。化學教育包含了教材內容、教具(實驗)設計與教師教育等,要成就引人入勝的教育情境,更應加強與生活間之連結。 國立臺灣師範大學科學教育研究所邱美虹教授與國內多位化學界之專家學者,有感於化學教育對於二十一世紀世界公民的重要性,共同發起了《台灣化學教育》期刊之建立與發行,期盼在首刊發行之際,藉此抛磚引玉,能激起全民知道化學,瞭解化學,更進一步能為所處的化學(物質)環境盡一份永續經營的力量。
蠟燭的化學史 The Chemical History of a Candle 作者:Michael Faraday(麥可‧法拉第) 譯者:胡景瀚*、林奕秀 國立彰化師範大學化學系 *chingkth@cc.ncue.edu.tw 譯者序 這本書源於Michael Faraday(麥可‧法拉第,1791─1867)在英國皇家學院的一系列演講,該書於1861年首次出版。法拉第出身卑微,靠著自學而成為科學的歷史上一位傳奇的人物。他在電磁學、化學各領域都有卓越的貢獻。 在這本書中,法拉第藉著一系列的實驗,闡述蠟燭燃燒時所牽涉到的現象。法拉第分析了燭火的溫度,告訴我們燭火最亮之處其實是碳粒造成的。蠟燭及許多物質的燃燒都會產生二氧化碳和水,二氧化碳的碳和水的氫來自蠟燭,而氧來自大氣;水包含二體積的氫氣和一體積的氧氣。法拉第也將蠟燭燃燒和呼吸作用做比較,告訴我們二者都是藉氧化反應釋放能量,並排出二氧化碳的化學反應。 今人閱讀這本書,仍不免讚嘆法拉第設計的精采實驗。藉著逐步的推理、論說、與驗證,法拉第成功地教育年輕人科學如何藉著發問、推想、設計實驗、並驗證結果來獲得知識。除了介紹蠟燭,這本書的另一個重要貢獻是告訴我們:「如何從事科學研究」、「甚麼是科學」。 這本書很適合年輕學生閱讀,若能重複書中描述的實驗,讀者將會更為受益。在書中,譯者盡量將所涉化學反應呈現出來,以利於讀者學習。原書圖繪由彰化師範大學美術系李婷歡重繪,謹此致謝。在譯者之前,中央大學倪簡白教授已經出版了譯本《法拉第的蠟燭科學》(商務書局出版)。台灣大學張文亮教授的作品:《電學之父─法拉第的故事》(文經社出版)對於法拉第的生平有詳盡的介紹。 (圖片來源:Michael Faraday, Wikipedia)
蠟燭的化學史 The Chemical History of a Candle 作者:Michael Faraday(麥可‧法拉第) 譯者:胡景瀚*、林奕秀 國立彰化師範大學化學系 *chingkth@cc.ncue.edu.tw 第一章 蠟燭的製造、燃燒及火焰 各位來到皇家學院,參與我們舉辦的一系列演講,我感到非常地榮幸,為此我將講述蠟燭的化學歷史。先前我已經處理過這個主題了,如果您不介意,我希望每年都來演講這個主題;因為這主題本身相當有趣,為許多科學領域帶來精妙豐富的結果。所有主宰宇宙的定律,都參與且觸及了我們即將觀察的現象。要進入自然哲學的研究,沒有比從蠟燭的物理現象入手更好的方法了。因此我有信心,我選擇蠟燭、而非其它較新穎的主題不會讓您失望;較新穎的題材,即使它並不差,不一定會比較好。 開始之前容我說明一下:雖然我們的主題很好,而且我們對這主題懷抱真誠、嚴謹與哲學式的思維態度,我將在演講中忽略那些較年長的人。我希望能以對年輕人聊天的口吻來演講。在之前的幾場演講中,我已經這樣做了,如果您不介意,我仍將使用相同的方式。雖然我在這裡傳達的知識屬於所有人,但這並不妨礙我在這個場合,用類似之前的方式來演講。 n 蠟燭的製造方式 現在,男孩和女孩們,首先我要說明:蠟燭是用甚麼做的。有些製造蠟燭的材料是相當奇特的。這裡有些木材和樹枝,特別適合燃燒。你看到這塊奇怪的材料,來自愛爾蘭的沼澤,叫做「蠟燭木」;這是種堅實、強硬、相當好的木材,非常適合作為支撐的材料,而且它們很容易燒起來,在蠟燭木的的原產地它被製作成燃燒用的木屑;蠟燭木也能用來做火炬,它燒起來就像蠟燭,能放出明亮的光芒。這塊木頭本身就是蠟燭本質的最完美的例子,或許這就是我能呈現給你的。這塊小小的木頭不只提供燃料,還能藉著燃燒演示化學作用、利用持續穩定供應的空氣顯現出光和熱;事實上,它就是一根天然的蠟燭。 我們必須先談商業製造的蠟燭。這邊有幾根蠟燭,通常稱為「浸製蠟燭」(dips)。製造方式為:把一團棉花纏成一個環,將環浸入融化的動物脂肪,拿出來陰乾後,再浸入脂肪;如此反覆動作,直到棉花上累積了一團動物脂肪。我手上的這些蠟燭會讓你對蠟燭的特性有些瞭解……它們實在又小又奇特。這些怪東西是以前礦工在煤礦坑裡用的蠟燭。古早的時候,礦工必須自己準備蠟燭,他們覺得小蠟燭在礦坑中比大蠟燭不容易引發爆炸;基於這個原因,以及經濟上的考量,礦工們做出不同重量的蠟燭……每磅有20、30、40或60支。之後蠟燭先是被一種叫做「鋼鐵廠」的燈所取代,然後又被戴維安全燈[1] 取代,接著還有其它類的安全燈。我手上有一支蠟燭,貝斯理上校跟我說是從皇家喬治號沈船上拿下來的。這根蠟燭沉在海中多年,受到鹽水的作用。但你看到這支蠟燭保存良好;即使它可能折損、斷裂得很嚴重,但點燃後還是可以正常燃燒,一旦蠟燭開始熔化,脂肪就重回它的自然狀態。 蘭貝斯(譯註:Lambeth,英國地名)的費爾德先生給了我很多漂亮的蠟燭圖片和材料;所以現在就來說說它們。首先,這是牛脂——牛的脂肪,它可以被製造成放在這兒的美麗物質,也就是硬脂蠟燭。這種方法是給呂薩克,[2]或是某個將方法告知給呂薩克的人所發明的。硬脂蠟燭不像一般油膩膩的牛油燭,它倒是蠻乾淨的;此外你還可以刮下、弄碎蠟燭滴下的東西,這些滴下的蠟也不會弄髒任何東西。給呂薩克製造蠟燭的過程如下:先將石灰加入脂肪後煮沸、將油脂做成肥皂,然後用硫酸移除石灰,並分解肥皂,就會留下脂肪重組過後的硬脂肪酸,同時也產生甘油。[3]甘油,是一種糖或類似糖的物質——從動物脂肪經過化學變化而產生,然後油從其中被擠壓出來。 你看到這裡有一堆壓製的塊狀物,顯示在持續增加壓力的情況下,雜質被漂亮地從脂肪混合物中移出,最後你會得到融化的物質,將它鑄造成我所演示的蠟燭。我手中拿著的是硬脂蠟燭,是我曾經告訴你的,從動物油得到的硬脂肪酸所製造而成的。這邊有根鯨魚油蠟燭,則是用抹香鯨油純化做成的。我還有一些黃蜜蠟和精製蜜蠟,都可以用來做蠟燭。另外還有一種奇特的材料,叫做「石蠟」,以及一些石蠟蠟燭,是用愛爾蘭沼澤裡的石蠟做的。我們還有來自更為偏遠地帶的材料呢,我這邊還有從日本帶來的蠟,有位朋友慷慨地送給我,這種蠟是製造蠟燭的一種新材料。 這些蠟燭是如何做的呢?我已經跟你說過浸製蠟燭,接著我將呈現模具是怎樣做的。讓我們想像蠟燭是由可塑材料做的。「可塑!」,「此話怎講?蠟燭會融化,如果你能融化蠟燭,那當然是可塑的東西。」事實並非如此。在製造蠟燭的過程中,為了讓成品具有所需性質所做的努力,已經使得製造蠟燭這件事發生始料未及的結果。蠟燭並不總是可塑的。純蠟的蠟燭無法被塑形,而需要某種特殊的方法;雖然我能在一兩分鐘內說完,但我不打算在這邊花太多時間。蠟燭中的蠟是易燃、易融化的,因此不容易被塑形。然而,我們拿個能塑形的材料過來。這兒有一個框架,上面綁著幾個模型。首先把燭蕊穿過這些模型。辮子形狀的燭蕊由紗布支撐,這種燭蕊不需要重複剪蕊。這條線穿到底端,就栓在底部固定;用小栓子拉緊棉花並堵住孔隙,如此液體就不會流出來。在頂端橫過一根小棒子,這根棒子拉張棉花且將棉線固定在模型裡面。然後,動物脂肪融化後流入模子裡。一定時間後,待模型冷卻,從一角倒出多餘的動物脂肪,清理一下,再剪掉燭蕊的尾巴。現在模型裡面只剩下蠟燭,再來你只須把它倒過來,像我這樣做,蠟燭就會滾出來,因為蠟燭是做成圓錐形的,上面比下面小;因為它的形狀,只要輕輕搖晃,蠟燭就會掉出來了。硬脂肪酸和石蠟的蠟燭也是依同樣的方法製造的。 蠟燭的製造方法很奇特。就像你在這邊看到的,框架上掛著很多棉花,末端覆蓋金屬物,避免棉花在這些地方被蠟蓋住。將這些東西放在裝著融化的蠟的容器上方。你看,框架可以翻過來;而當它們翻過來時,我們就拿一桶蠟澆灌第一個框架,接著澆灌下一個,再下一個,依此繼續。當製造蠟燭的師傅倒完一輪後,如果較早被澆灌的框架中的蠟已經冷卻,他便從頭再澆覆框架第二層蠟,如此進行,直到每個框架上的蠟都累積了足夠的厚度。當框架依此方法被蠟覆蓋、填滿到足夠的厚實程度時,便將它們取下並移到其它位置擺放。感謝費爾德先生慷慨提供,我這邊有幾個這類蠟燭的樣本,這些是半成品。覆蓋蠟的框架被取下之後,放在石板上捲起,用適當形狀的管子模塑出蠟燭的尖椎端,切平底部並整理乾淨。這道手續做得好,工人就可以用這個方法精確地做出4磅、6磅或其它重量的蠟燭。 然而我們不能在製造過程耽擱太多時間,我們必須進入正題研究蠟燭這個物質。我還沒跟你說到蠟燭豐美的視覺享受(因為在蠟燭世界裡真的有精品般的東西)。看哪,這些顏色多麼美麗,你看到偏紫的紅色、偏紅的紫色,以及最近發明的化學顏色都能在蠟燭裡見到。這裡有根精工雕刻,像是希臘石柱的蠟燭;我也帶來一些裴叟先生給我的蠟燭,這些蠟燭經過設計和裝飾,而當我點燃它時,你看到上方浮著一輪閃耀的太陽,下面像是一束捧花。然而,這些精緻漂亮的東西並不實用。希臘石柱型的蠟燭美則美矣,卻不好用;因為外型的緣故使得它們不好用。儘管如此,我還是讓你看看朋友送我的、不同種類的蠟燭,你就曉得現在的蠟燭可以做到甚麼程度,還可能做出哪些不同的成品;雖然,如我所說的,精緻的修飾會犧牲掉事物的本質。 n 觀察蠟燭的燃燒 現在來談蠟燭的光。我們將點燃一、兩支蠟燭,並讓它們持續燃燒,展現它們應有的功能。你觀察到蠟燭和油燈相當不同。使用油燈的時候,你把油注滿底盤,放進些許製備的棉花,接著點燃棉花的上端。當火焰往下燒到與油接觸時,火會熄滅,但是上頭會繼續燃燒。你一定會問說:為什麼油本身不燃燒,但卻會在棉花上端燃燒呢?我們現在就來檢視這個問題,不過蠟燭燃燒是一件更為神奇的事。現在有個沒有容器盛裝的固態物體;這個東西要如何爬上火焰燃燒的地方呢?這個固體要如何到達燃燒的位置,但又不會變成液體呢?或者說當它變成液體時,要如何維持在一起的狀態且不分散呢?這就是蠟燭神奇的地方了。 現在有些風,風對我們說明這個示範實驗可能有幫助,但我們也可能被燭火戲弄了;為了讓我們的演示不受干擾,也為了簡化整個過程,我需要一個穩定的燭火;在研究過程中假如出現預期外的干擾,我們就無法好好地做研究。週六晚上在菜市場可以看到賣菜、馬鈴薯或賣魚的小販,他們用一個很好的東西來避免蠟燭被吹熄。我頗為欣賞這個器具,他們在蠟燭周圍蓋上燈罩,上面有道滑軌支撐並鉤住燈罩,使用者可以就需要將燈罩滑上滑下。依照同樣方法使用燈罩,我們便能擁有穩定的火源,你可以看著、仔細檢視這穩定的蠟燭燃燒,我希望你在家裡也能這樣試試看。 首先,一個美麗的杯狀凹槽形成了。當空氣接近蠟燭時,蠟燭產生的熱氣流把空氣往上推,這股空氣冷卻了蠟、脂肪或燃料的外圍,讓外部邊緣溫度比內部中央低;火焰盡可能地沿著燭蕊向下燃燒,同時融化內部,但是外部並不會融化。假如我在一個地方施予氣流,蠟燭凹槽的壁將在另一側下垂,融化的液體就會流出來;因為萬有引力——讓這個世界得以聚合的力量——使液體保持水平,如果凹槽不是水平的,液體便會沿著溝槽流下。因此你曉得,這個凹槽的形成歸功於那美妙的、規則的上升氣流,它同時也使蠟蠋外部保持冷涼。沒有這個杯狀凹槽,其它燃料無法作成蠟燭;愛爾蘭沼澤的木頭是個例外,因為木材本身就像海綿,可以吸收燃料。 如果點燃我先前演示的漂亮蠟燭,你就曉得為什麼結果很糟糕;這些漂亮蠟燭形狀不規則、表面不連續,因此沒辦法好好形成凹槽的邊緣,而凹槽是蠟燭最棒的地方。現在我希望你能了解,一道程序的完美結局,就是他的實用性,是這整個過程中最美好的。普通的蠟燭並不漂亮,但是卻運作良好,也是對我們最有用的。美麗的蠟燭燃燒起來並不順利,在蠟燭壁上會出現溝槽,因為氣流不規律,隨之形成的凹槽也不好用。當蠟燭壁上淌下融化的蠟使某處變厚時,你會看到不穩定的上升氣流(我相信你會看到這些)。隨著蠟燭持續燃燒,在壁上形成突出的細柱,因為這根細柱高出旁邊的蠟或其它種燃料,空氣在這裡流動得更好,這邊的溫度會比較低,進而阻擋周邊的熱。一如其它事理,人類對於蠟燭的重大誤解將教導我們那些如果沒有實際經歷,便無從獲得的知識。我們聚在這裡,希望成為思想者,我希望你永遠記得,無論何時你看到一個結果,特別是新的結果時,你應該要問:「這是甚麼原因造成的?為什麼它會發生呢?」經過一段時間推敲之後,你就會找到原因。 我們還能從另一個點切入,回答關於蠟燭的問題,也就是研究蠟油從凹槽流出,由燭蕊往上到達燃燒位置的方式。用蜜蠟、硬脂肪酸或鯨油做成的蠟燭,燭蕊燃燒的火焰不會往下跑到蠟或其它地方,將整支蠟燭融化,而會保持在恰當的位置。火焰被下方的液體阻攔,不會侵毀凹槽的周圍。我想不出更完美的例子了,在此燃燒過程中,蠟燭的各個部分相輔相成。像蠟燭這種可燃物會漸漸燃燒殆盡,但又不會被火焰從外部入侵,是很棒的景象,尤其在你知道旺盛的火直接燒到蠟上的時候,蠟會被火焰催毀,當火靠得太近時,蠟也會被火焰變形。 n 燭蕊藉毛細作用,持續地將蠟燭融化並傳送到火焰 但火焰是如何取得蠟油以作為燃料的呢?這裡有個很棒的觀點——毛細作用。「毛細作用!」,或「毛髮間的吸引」,在我們還沒好好了解它真正的作用之前,不用太在意名稱;這是前人取的名字。因為毛細吸引的作用,作為燃料的蠟油被運輸、存放在燃燒進行的地方,這個過程不是任意的,而是被巧妙地安置在燃燒作用發生的中心。現在我要給你一、兩個毛細吸引的例子。這個動作或吸引力使兩個互不溶解的東西聚在一起。例如,洗手時你弄濕雙手、抹上肥皂,使皂液附著得更好,然後你發現手還是濕漉漉的。這就是待會兒我要說的那種吸引力。如果你的手沒弄髒(因為日常生活中,雙手通常是髒的),將指頭伸入溫水,水會些微地從手指頭向上爬升——很可能你以前還沒有注意過這件事情呢。 我有一個多孔的物質——一支鹽柱(圖1),然後我在盤子底部注入看起來像水但不是水的液體;這是飽和的鹽水,無法再溶解更多的鹽,所以你看到的作用並非溶解的緣故。我們將盤子想像成蠟燭,鹽柱當成燭蕊,鹽水則是融化的蠟。(我事先將鹽水染成藍色,好讓你看清楚作用過程。)現在我把液體倒進去,如果鹽柱不倒下的話,液體會升高、漸漸爬上鹽柱,越來越高;液體會爬到頂端,。如果這藍色的液體是可燃的,而且我們把一條燭蕊放到鹽柱頂端,當液體滲入燭蕊時就可以燃燒。觀察這種作用以及相關的細節是很有趣的。洗完手時,你拿毛巾擦乾雙手;因為這種濕潤的方式,水會沾上毛巾,蠟燭燃燒時,融化的蠟會爬上燭蕊。我認識一些不拘小節的男孩和女孩們(當然謹慎的人也會這樣做),把擦過手的毛巾丟在臉盆旁邊,沒有多久臉盆裡所有的水就被毛巾吸乾,滴得地上溼答答的,因為它剛好被丟在有水的臉盆,水因為毛細作用被吸引而滴到外面的地上。 圖1 我手上有個網紗做成的管子,裡面裝滿水,在這個過程中,就某方面來說,你可以把這容器視為棉花,或從另一個角度觀之,將它視為棉布。事實上,有時候燭蕊是用網紗做的。你會發現這管子是個可滲透的東西;因此我從上端倒水進去,會從底下流出來。以下問題可能讓你思索好一會兒,如果我問你:這管子的情形怎樣?裡面是甚麼?為什麼它會在那裡面?這根管子注滿水,但同時你也看到水進進出出,好像管子是空的。為了證明給你看,我只好將它倒出來。原因是這樣子的:網子一直是濕的,篩孔很小,以至於液體從這端被強力吸引到另一頭,所以管子裡一直有水,即使管子是有開口的。利用相似的方法,融化的動物脂肪粒子爬上棉花並到達頂端;其它粒子因為相互吸引的作用跟隨在後,當它們到達火焰燃燒的地方時,也加入燃燒。 接下來也是同樣的原理。看看這根樹枝。我在路上看過一些男生把樹枝點火,假裝是雪茄,學大人的樣子抽菸。他們能這樣做,是因為樹枝單向的可滲透性,也是因為毛細管現象。如果我把這根樹枝放在盛有樟腦精的盤子(大體而言,樟腦精的性質和石蠟類似),一如前面藍色液體滲入鹽柱的道理,樟腦精會滲入這根樹枝。因為旁邊沒有毛孔,所以液體無法往那方向去,但是一定會流經整根樹枝。液體已經流到樹枝頂端了;現在我可以點燃它,就跟蠟燭一樣。因為樹枝的毛細現象,液體會往上爬升,就像在蠟燭裡面的棉花一樣。 為什麼蠟燭不會把燭蕊周圍都燒掉呢?唯一的解釋是:融化的動物脂肪把火滅掉了。你知道,如果把蠟燭倒過來,想讓作為燃料的蠟油流到燭蕊,蠟燭反而熄滅了。原因在於火焰來不及加熱蠟油到足夠的溫度好燃燒起來,在前面成功燃燒的例子中,只有少數蠟油被帶到燭蕊,並且在燭蕊上還有熱。 n 重新點燃熄滅的蠟燭 關於蠟燭,還有一個現象可以讓你理解蠟燭運作的原理,也就是蠟油作為燃料燃燒後,產生煙霧的情形。為了讓你了解,我來演示一個很棒,但也很平常的實驗。如果你迅速地吹熄蠟燭,會看到餘煙裊裊升起。我知道你經常聞到蠟燭熄滅的煙味,不太好聞;如果你能靈巧地吹熄,便能清楚看到煙霧中有轉變過的固體物質。我接下來要吹熄這些蠟燭,不讓我連續的呼吸擾亂蠟燭周圍的空氣;而現在,如果我拿一根點火棒,距離燭蕊大約5公分遠,你會看到一串火苗沿著煙霧爬上蠟燭(圖2)。我最好手腳俐落些,如果我的動作太慢,煙霧就有時間冷卻進而凝結為液體或固體,可燃物質的流動就會受到妨礙。 圖2 n 氣流對火焰形狀的影響 接下來,我們要談到火焰的形狀或形態。也就是蠟燭中的物質爬上燭蕊後所產生的,只有燃燒或火焰那無可比擬的美和亮光。黃金、白銀耀眼迷人,紅寶石、鑽石、珠寶更是光彩奪目;但它們都不如火焰出色動人。哪顆鑽石能閃耀如火呢?夜裡鑽石的光輝尚須向火焰借光。火焰在暗夜裡閃耀,除非火焰照上鑽石,它才得以展豔。蠟燭只為自己、依靠自己發亮,或是為那準備蠟燭的人工作。現在我們來觀察玻璃燈罩裡火焰的形狀,它的形狀穩定且均勻。其形狀如圖3所示,火焰的外形隨著氣流擾動變化,也依據蠟燭大小而變。 圖3 這是個光亮的橢圓形,上面比下面亮,燭蕊在中間;除了燭蕊比較暗之外,在底部還有更暗的部份,這部份的燃燒不像上面那麼完全。我這裡有張圖,幾年前由虎克[4]所繪製的,那時他正在做這方面的研究。這張圖畫的是油燈的火焰,但也適用於蠟燭的火焰。蠟燭的凹槽就如同盛放的器皿或檯座;融化的鯨油則可視為燃油;而蠟燭和油燈都有燈蕊。在燈蕊上點起小小的火苗,然後發生了一件事:有些你看不到的物質從火焰升起,假如你沒有聽到前面的演講或不熟悉這主題,你就不知道有這些物質。 虎克描繪出火焰周圍非常關鍵、無時不在的氣流。我們的蠟燭有股氣流成形並拉長火焰;你所見的火焰被拉得很高,就像虎克在圖上畫的氣流延展的形貌。你可以把點燃的蠟燭拿到陽光下,讓它的陰影投射到一張紙上,或許就能看到我所說的樣子。這是多麼神奇呀,自身亮得足以使其它東西產生陰影的,也會在紙上被投出陰影(圖4),如此你就能確實看到周圍不屬於火焰本身的氣流,而這氣流上升並拉高火焰。現在我要把電池裝上電燈,好模擬太陽光。你現在看到我們的太陽和它的亮光;在光源和屏幕中間放置蠟燭,就得到了火焰的影子。你觀察到蠟燭和燭蕊的陰影;接下來是如圖所示(圖4)的一片微暗的區域,還有一塊較遠的區域。挺神奇的是,從影子觀察到火焰最暗的地方,實際上是最亮之處;這邊你看到熱空氣往上流,一如虎克畫的那樣,這股氣流拉長火焰、供應空氣並冷卻融蠟的凹槽圍牆。 圖4 我再更進一步演示,讓你們看看火焰如何因為氣流而上升和下降。我這裡有一具火焰——這不是燭火——但無疑地,它和燭火所受的影響是一樣的。我現在要做的是將上升的氣流改變為下降氣流。我可以藉由面前這個裝置輕易做到(圖5)。 圖5 如我剛才所說,這火不是燭火,而是酒精燃燒的火,所以不會產生很多煙。我也用某種物質為酒精染色,如此你才好追蹤它的軌跡;假如沒有染色,你就看不清楚,也就難以追蹤其軌跡。點燃酒精,我們製造出火焰,接著你觀察到,把火焰舉在空中,它自然會上升。你相當瞭解為什麼在一般環境下火焰會往上升:是因為這股協助燃燒的空氣的流動造成的。但是現在我把火焰向下吹,你看,我讓火焰往下進入這個小煙囪,氣流的方向被改變了。在這堂演講結束前,我們應該讓你看看一種燈,它的火焰往上升,但煙霧卻向下降,或是火焰下降但煙霧上升。我們可以改變火焰的方向。 我得提醒你幾件事。大部分你看到的火焰,其形狀受到周圍不同走向的氣流所影響;如果需要的話,我們可以控制火焰,這樣它們看起來像是固定的,而且我們可以對它照相——實際上我們有必要照下它們——這樣它們才能固定,好讓我們得到所有關於火焰的知識。不過,這不是唯一我想提醒你的。如果我升起一團大火,它的形狀便不會這麼一定、這麼齊整,但它的火焰卻迸發出相當的活力。我將援用另一種燃料,也可以如實地代表蠟燭中的蠟油。我有一大團棉花,用來作為燭蕊。將這團棉花浸入酒精液體並點燃之後,它和普通蠟燭有甚麼不同呢?啊,它們差異可大了,這東西燃燒時生氣勃勃且充滿活力,它的美、它的生命在在不同於燭光。你看到那些美妙的火舌升起。這團火從下到上均勻地燃燒,除此之外,它還擁有引人注目的、迸發的火舌,這是蠟燭燃燒看不到的。 […]