浮力大挑戰

原始設計者：彰師大

應用阿基米德浮力原理，並藉由簡單工程結構概念，不斷嘗試錯誤與改良，探究如何產生最大浮力。

實驗材料：

1. 水盆
2. 濾盆
3. 鐵片(十元硬幣亦可)
4. 剪刀
5. A4紙
6. 保鮮膜
7. 膠帶
8. 吸管
9. 計算機
10. 直尺(30cm)
11. 競賽獎品

現象說明

阿基米德發現了浮力的原理(物體在液體中所排開液體重就等於該物體所受浮力)，一個簡單的概念已廣為人知，也廣泛的被應用在日常生活中。船隻、潛水艇、空飄氣球、游泳都要應用到它。利用液體密度與浮力的關係，人類也設計出很多測量儀器。考慮液體的壓力，造船工藝也不斷獲得精進與改良。

探究問題

應用浮力原理結合工程結構與數學運算，並經由嘗試錯誤，創造最大浮力。

2.1 如何讓船體維持最大排水量?

2.2如何強化船體以抗衡水壓對船體的破壞?

2.3擺放鐵片有何技巧? 如何避免不佳擺法使船體提早沉沒?

2.4固定紙張大小，如何讓它形成一個最大排水量的浮體?

實作項目

3.1 指定船體的製造與比賽

• 取規格統一的A4紙一張，在教師的指導下製作統一的船體(不可改變船體形狀)。
• 40公分保鮮膜一片、統一規格吸管8支、膠帶1捲(必要時可限定用量)、剪刀1支。利用上述器具自由去保護或加強船體，也可試圖去增加浮力(保鮮膜、吸管可自由切割)。
• 將製作完成的船體浮於水面，由參賽者自己動手，逐枚添加鐵片，至船沉沒為止，計算鐵片數作為勝負依據。(當船有沉沒跡象時，添加硬幣的動作必須暫停，等確定不會沉沒時，才可繼續添加。限定時間內，每人可重複數次比賽，以最佳一次為正式成績，每一次比賽皆提供新的A4紙、吸管、保鮮膜。膠帶整場比賽則限用一捲。)

3.2 開放性比賽

• 器材限制如前3.1。但參賽者可自由製造船體(浮體)。比賽方式同前。

3.3 指定船體造型並提示極大值概念

• 器材限制如前3.1。指定船體為便當盒造型，參賽者自行計算體積極大值，尋求最大體積以製造船體。比賽方式同前。

分析與結論

4.1 實驗中，除了限定器材用量及規格，說明競賽規則外，儘量不提供固定答案，以便讓學生從嘗試錯誤到自行解決問題。期望能由學生的自行探究，認識探索實驗的精神並親身操作體會將科學原理與動手做結合的過程。

4.2 本實驗具有下列優點

1. 操作簡單、原理簡單、一聽就懂
2. 器材簡單、家庭廚房即可取得
3. 年齡限制小、老少咸宜
4. 不限學歷皆可進行創意思考
5. 地點場所限制小
6. 安全性高
7. 無毒性
8. 趣味十足、師生親子可同樂
9. 經費很省
10. 遊戲化的活動
11. 同學可充分動手、手腦並用
12. 可同儕合作腦力激盪
13. 可以競賽方式進行
14. 可體會浮力的科學概念 蘊含數學、物理原理
15. 具無窮挑戰空間 由觀察嘗試中精益求精
16. 訓練同學探索精神的典型實驗

教學目標與評量

5.1 學生能解釋科學探究的意義。

5.2 從實驗觀察中，學生能說明水壓如何破壞船體，並能具體提出船體結構改善之道。

5.3 從實驗觀察中，學生能說明船體平衡的重要性，並能提出正確放置鐵片的技巧。

5.4 學生能經由計算找出船體最大體積。

參考資料

[1] 維基百科，自由的百科全書

進階知識

液體密度與浮力的關係

• 液體的重量為液體體積與液體密度的乘積，所以液體密度越大液體的浮力效應越大。

液體壓力

• 液體壓力:P=hd 液體壓力 與底面積無關 只跟液體高度 與 液體密度有關
• 不管容器是何種形狀 它在等高的液面 所受的壓力是相同的