DSE 物理 · 熱學實驗

熱對流模擬

透過互動式水煲模型，視覺化觀察熱水上升、冷水下沉形成的對流循環路徑

🎯 實驗目標

觀察水煲中央加熱時，熱水上升、冷水下降形成的對流循環路徑，理解熱對流的物理機制與能量傳遞過程。

📝 實驗步驟

1️⃣

設定電功率

調整滑桿設定加熱功率

2️⃣

觀察粒子運動

注意粒子顏色與運動方向

3️⃣

追蹤對流路徑

開啟對流路徑顯示

4️⃣

記錄溫度變化

觀察平均水溫的上升

♨️ 水煲中的熱對流模擬

溫度圖例
冷 (25°C)
溫 (60°C)
熱 (100°C)

💡 觀察重點：中央加熱元件將水加熱，熱水上升形成對流循環，溫度越高顏色越紅。

平均水溫
25°C
對流狀態
靜止
0 W
關閉最大火力

調整加熱元件的功率，觀察對流強度的變化

👀 觀察重點

1️⃣

熱水上升

中央加熱區的粒子溫度升高（變紅），密度降低而向上運動

2️⃣

冷水下沉

兩側較冷的水（藍紫色）密度較大，向下運動補充底部空間

3️⃣

循環對流

形成「中央上升→兩側擴散→邊緣下降→底部匯集」的循環路徑

💡 概念理解

對流的成因

流體受熱時密度降低，在浮力作用下上升；冷流體密度較大而下沉，形成循環流動。

能量傳遞方式

對流透過流體的實際移動來傳遞熱能，不同於傳導的粒子振動傳遞。

沸騰現象

當水溫達到沸點，水分子獲得足夠能量脫離液態，形成氣泡上升。

日常應用

煮水、暖氣系統、大氣環流、海洋洋流等都是對流現象的實例。

📚 DSE 考試重點

1️⃣

熱對流是透過流體的實際移動來傳遞熱能，需要有流體介質

💡 不同於傳導（粒子振動）和輻射（電磁波），對流需要物質流動

2️⃣

對流的驅動力來自密度差異造成的浮力

💡 熱流體密度降低而上升，冷流體密度較大而下沉

3️⃣

對流可分為自然對流（密度差驅動）與強制對流（外力驅動）

💡 煮水是自然對流，電風扇吹風是強制對流

4️⃣

沸騰時氣泡的形成是因為液體內部蒸氣壓等於大氣壓

💡 高度越高氣壓越低，水的沸點也隨之降低