文／台北市士林區蘭雅國民小學六年級林煒翔

（2019全國中小學科學展覽會首獎）

我在上六年級的自然課時，做過有關氣體熱脹冷縮的實驗，不論是課堂、書本，或是網路上的資料，都提到凹陷的乒乓球，可以透過熱水加熱，利用空氣熱脹冷縮的特性，使凹陷部分回復原形。然而在氣體受熱膨脹的實驗中，我們利用氣球套住燒杯口，再將燒杯放入沸中觀察，結果原本扁平的氣球因為氣體膨脹而樹立起來，但是用手觸摸氣球時可以明顯發現氣球是相當柔軟，手指可以輕易將氣球壓扁，這不禁讓我們懷疑膨脹的氣體真的有足夠的力量將凹陷的乒乓球撐回原來的形狀嗎？因此我們希望透過詳細的實驗研究，來探討凹陷的乒乓球在受熱過程中產生復原作用的主要因素為何？是否真是因為空氣的熱脹冷縮所造成的結果？

到底是空氣的功勞

還是球殼的功勞？

將乒乓球放在熱水中加熱，受熱影響的部分包括了：

1.乒乓球的球殼

2.球殼內部的空氣

書本上與網路上的資料通常以空氣受熱膨熱的原因，解釋凹陷的乒乓球在放入熱水中後產生復原的現象，此說法是認為乒乓球殼內的空氣在熱水加熱過程中逐漸膨脹，但受到乒乓球體積限制，因而轉變為內部壓力的增加，進而將凹陷部分擠壓回原來圓形的球面，這是把球殼內部空氣受熱的作用當成主要的因素，而忽略球殼本身受熱的作用。我們先做個簡單的實驗，拿5顆凹陷的球，分別在不同的水溫下，觀察它們凹陷復原的程度，結果如圖1，水溫愈高愈能幫助乒乓球凹陷回復。

然後我們再將乒乓球剖成兩半，測試在缺少球內空氣壓力的作用下，溫度與凹陷乒乓球復原的關係。

將乒乓球切開成半球形，這時不再有球內空氣膨脹產生壓力的作用，只剩下乒乓球殼受熱後的效應，水溫實驗結果如圖2。

真相出爐

最後我們比較兩種實驗結果，顯示同一溫度下的可復原最大凹陷的深度，在沒有球殼內空氣受熱作用（半圓球：紅虛線）時，與有球殼內空氣受熱作用（圓球：藍實線）時的結果是相當的，並無明顯差異。由此可以推斷球殼內空氣受熱膨脹而造成的壓力增加效果，對凹陷乒乓球的復原產生極小的作用，因此球殼本身受熱的作用是凹陷乒乓球可以復原的主要原因。

本實驗目的在澄清關於凹陷乒乓球放入熱水中可以恢復圓球面的主要原因，書本上常見的解釋為乒乓球內空氣的熱脹冷縮效應，我們實驗歸納出，球殼內部空氣受熱產生的壓力與凹陷乒乓球恢復所需壓力的百分比，在不同溫度範圍內，貢獻比例在2%至7%之間，顯見不論在何種凹陷深度下，乒乓球復原的最低溫度能提供的乒乓球氣體壓力的貢獻，都是極小的一部分。

換言之，乒乓球殼受熱的作用同樣是隨著溫度增高而增加，並且對乒乓球凹陷的復原占有主要的貢獻。

綜合我們的實驗結果，我們可以說明凹陷乒乓球放入熱水中之所以可以恢復圓球面，主要是乒乓球殼本身受高溫作用產生的效果，雖然球殼內的氣體同時受到高溫作用會產生壓力增加的效果，但是由我們的實驗證實，增加的氣體壓力遠低於足夠使凹陷球殼復原的壓力，因此簡單以氣體熱脹冷縮效應解釋凹陷乒乓球殼復原的說法並沒有將現象觀察背後的物理因素完整的說明。

未來可以研究的部分

乒乓球的材質與溫度變化的關係也是我們感興趣的課題，目前國際標準的乒乓球材質是ABS塑膠（A代表丙烯睛、B代表丁二烯、S代表苯乙烯），也是一般市售乒乓球的標準材質，假若改變乒乓球的材質，對於凹陷乒乓球的復原是否也會造成影響？此外，我們也好奇乒乓球的圓球形結構，對於凹陷乒乓球受熱復原的過程是否有影響？在這次研究實驗中，我們有使用到半圓形的乒乓球，之所以採用半圓形，其目的在消除球內空氣的作用，同時又希望減少乒乓球外觀的變異度，而半圓球的形狀能夠使凹陷部分的四周與原本的圓球形差異較少；如果能夠比較平面上的凹陷與圓球形上凹陷的復原差異，也許就能有更進一步的了解，圓球形結構對乒乓球凹陷復原是否真的存在其差異性。