玻璃眼淚揭開科學之謎！親身體驗『荷蘭之淚』的震撼瞬間

我是科學訓練員桑子研，我的每一天都是一場實驗。

這次要跟大家分享一個，我和科學社的學生們一起做的奇妙又美麗的實驗，叫做「魯珀特之淚（Prince Rupert’s Drop）」。這個實驗超有意思，它用我們日常隨處可見的玻璃，展現出遠超乎我們想像的特殊性質。看著玻璃被熱熔、滴進水裡凝固成淚珠狀的過程，就像在欣賞藝術品一樣。但在這美麗的背後，其實隱藏著固態與液態的變化，以及物質內部蘊藏的「應力」大戲。

衝擊與美感兼具！用「魯珀特之淚」揭開玻璃的神秘面紗

只要將玻璃棒加熱後滴入水中，就會形成形狀像淚珠一樣的玻璃滴，這就是我們所說的「魯珀特之淚」。這個實驗最吸引人的地方，除了成形過程的美麗，還有它完成後那讓人意想不到的破壞現象。

什麼是魯珀特之淚？從玻璃性質學科學

魯珀特之淚的製作方法，是將熔融的玻璃滴入冷水中，讓它快速冷卻。在這個過程中，玻璃會形成非常特殊的內部結構。

這個原理有點像製作「炙燒彈珠」。當熔化的玻璃滴進水裡，外層會先因為急速冷卻而凝固。玻璃從液態變固態時，體積會稍微縮小。由於外層已經變硬了，內部還沒凝固的玻璃，就會被外層收縮的力量給強力「束縛住」。

接著，當內部的玻璃慢慢冷卻凝固時，因為外層已經變硬，內部的玻璃就像被往外拉扯一樣，在凝固的過程中會承受強大的拉應力（張力）。結果就是，魯珀特之淚的表面處於一種強烈的壓縮狀態，而內部則承受著強大的力量。這種特殊的應力平衡，正是魯珀特之淚最厲害的地方。

多虧了這個內部應力，魯珀特之淚的圓球部分變得異常堅固，甚至用鐵鎚敲也敲不破。但神奇的是，只要用鉗子弄斷或弄碎這個淚珠狀玻璃的 「尾巴」 ，整個玻璃就會在一瞬間完全粉碎。據說這是因為尾巴尖端的小小缺損，釋放了原本積聚在內部的強大拉應力，導致破壞瞬間傳遍了整個玻璃。

我們通常會將它放入塑膠袋裡，並戴上護目鏡。再隔著塑膠袋用鉗子夾住尾巴，把它折斷。這樣整顆玻璃就會瞬間粉碎。

參考資料來源：

用鐵鎚也敲不壞！？打造堅不可摧的玻璃

2020年10月30日 筑波技術大學 產業技術學部

科學社實作！準備與實驗過程

我們科學社也挑戰了這個神奇的實驗。

實驗材料

• 玻璃棒：一般實驗室用的玻璃棒就可以了。
• 噴燈（或瓦斯噴燈）：需要高溫才能熔化玻璃。
• 耐熱燒杯或金屬容器：用來盛裝冷水，接收滴下的玻璃。
• 冷水：放入燒杯中。
• 鉗子：用來折斷完成的魯珀特之淚的尾巴。
• 護目鏡：務必戴上！玻璃碎片可能會飛濺。
• 耐熱手套：拿玻璃棒時可以更安全。
• 工作檯：選擇穩固的地方進行實驗。

實驗步驟

1. 準備冷水:
   • 在耐熱燒杯或金屬容器中，倒入足夠的冷水備用，水建議多裝一點。
2. 加熱玻璃棒:
   • 戴上護目鏡和耐熱手套。
   • 用噴燈火焰加熱玻璃棒的前端。當玻璃變紅後，會開始慢慢熔化變軟。要持續加熱，直到玻璃熔化成圓圓的液滴狀。
   • 讓學生保持安全距離觀察，並隨時注意避免燙傷。
3. 滴入水中:
   • 玻璃熔化並形成液滴後，將加熱過的玻璃棒緩緩伸入冷水中，讓熔化的玻璃像 「淚珠」一樣自然地滴落。不要用力甩動。
   • 玻璃滴入水中後，會瞬間冷卻凝固，形成淚珠狀。
4. 觀察淚珠:
   • 從水中取出完成的魯珀特之淚，觀察它獨特的形狀和透明度。如果用偏光板來觀察，可以看到它特殊的色彩，這就是它內部有應力的證明。
     
5. 驚人瞬間！破壞實驗:
   • 務必戴上護目鏡，在安全的地方進行。
   • 用鉗子用力夾住完成的魯珀特之淚的「尾巴」 尖端，將它弄斷。
   • 這時，會聽到「啪！」的一聲，整顆玻璃會在瞬間完全粉碎。 這個戲劇化的破壞瞬間，絕對會讓學生們發出驚呼。
   • 由於碎片可能會飛散，進行實驗時要注意周遭，選擇不會有安全疑慮的地方，或者在透明的箱子裡進行會更安全。

這個實驗能學到什麼？

魯珀特之淚的實驗，除了視覺上的趣味性，也是學習以下重要科學原理的好機會：

• 物質的相變：觀察玻璃從固態變液態，再重新變回固態的過程。
• 熱脹冷縮：物質冷卻時體積會收縮的現象，正是造成魯珀特之淚內部特殊應力結構的原因。
• 內部應力與破壞：透過視覺化方式，了解玻璃內部累積的應力如何在外力作用下瞬間釋放，引發劇烈破壞。這與材料科學的基本概念息息相關。
• 物質性質與結構的關係：即使是相同的玻璃，透過不同的加工方式，也能展現出完全不同的物理性質（堅固或脆弱）。

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