遙控的浮沉子

原始設計者：蕭次融

簡介：

以簡單的器材製作浮沉子，體驗浮沉原理，探究從「寶特瓶外」手壓，以及「玻璃瓶內」遙控施壓時物體浮沉的變因，並操控浮沉子的沉浮次序。 本實驗要求學生親自製作浮沉子並調整浮沉子的密度，以體會浮力原理，享受操控浮沉子的樂趣，進而比賽誰最能操縱浮沉子聽話，使其依序下沉，反序上浮。

原理

物體在水中，若物體的密度大於其周圍的水的密度，物體就下沉。反之，若小於水的密度，物體就不會下沉，而下沉的物體就會上浮。以此推之，若兩者的密度相等，物體就會停在水中。物體的密度(D)與質量(M)以及體積(V)的關係，可以用式子表示如下：

由上式可知要改變物體的密度有兩種方式：一為固定M，改變V，另一為固定V，改變M。就浮沉子而言，這兩種方式均可以做到，均可以使浮沉子的密度比水的密度大或小，甚至相等。若能夠如此調整就可操控浮沉子的下沉或上浮，甚至停在水中。 「帕斯卡原理」說：「密閉流體的任一部分受壓，所受的壓力可以傳至流體的每一部分，大小不變」。因此，在裝滿水的密閉寶特瓶外的任一地方施壓，或在玻璃瓶內以遙控的方式施壓，瓶內的浮沉子會感受到壓力。若浮沉子有小孔可讓水進出，則水會從小孔進入浮沉子內，浮沉子增加重量而往下沉；若放鬆壓力，則被壓進浮沉子內的水就會流出來，浮沉子減輕重量而浮上來。因此改變小孔的大小，控制水從小孔進出的難易與快慢，就可控制浮沉子增減重量的快慢。小孔的孔徑約在0.2~0.3mm時，最容易控制浮沉子增減重量的速率。

若浮沉子完全密閉，水不能進出浮沉子，就不能改變其重量，但若能改變其在水中的體積，即改變其所得的浮力，也可以操縱其沉浮。例如用塑膠滴管所製成的密閉浮沉子，因塑膠的軟硬不同，浮沉子受壓改變體積的程度以及快慢的速率不同，就可以因其在水中所得浮力改變的快慢，用來控制其沉浮次序。

三、活動一：依序沉浮

場地需求

沒有特別的需求，課桌椅也可以。

使用器材

1. 大會：吸管（吸飲料用的）10支，銅釘（6分）40支
2. 自備：寶特瓶（透明，約600mL）、蠟燭、打火機、箝子、尺、剪刀、美工刀、簽字筆（油性）、茶杯、抹布、浮沉勾（製作方法，見附件三）

競賽說明

(一)操作方式

於30分鐘內，在現場製作每組至多7個浮沉子（製作方法，見附件一），在其上端的兩面編寫號碼並調整好後放進透明的寶特瓶（約600mL）內， 使其能依編號（1、2、3、…、n）順序下降後，再依順序（n、…、3、2、1）上升。

1. 每隊要製作兩瓶的浮沉子，每兩人隊員一組，要合力製作一組浮沉子共用，各自操控同一個寶特瓶，使其自製的浮沉子依序沉浮。
2. 大會提供吸飲料用的吸管（內徑約0.5~0.7公分）10支及6分的銅釘40支。
3. 製作與調整時間共30分鐘。
4. 剪刀、美工刀、打火機、蠟燭（不得使用其他火源，違規者取消該隊參賽本項資格）、油性色筆、尺、寶特瓶（用油性筆，劃一中線）、抹布、「救生員（浮沉勾）」或鑷子等各隊自備。

(二)注意事項

1. 操控浮沉子時，必須一個浮沉子完成動作後，才輪到下一個，例如下沉時，1號浮沉子完全沉到瓶底，其他浮沉子全部浮在瓶內的上端，而且各浮沉子的頭部都要頂到水面，即所謂的「頂天立地」，等候裁判認定1號浮沉子已完成動作後，說「下一個」口令時，才可使2號浮沉子開始下降，而在2號的浮沉子下沉的過程中，1號浮沉子要「立地」，3號以上的浮沉子要「頂天」等候。
2. 操作「下沉」時，任一浮沉子的下端過了「中線」，就「視同下沉」，若這個浮沉子不該下沉，就算這個浮沉子違規下沉。要下沉的浮沉子過了中線後，要使其底端立在寶特瓶的底部，亦即「立地」後，才可以視為完成了下沉的動作。
3. 操作「上浮」時，注意事項類同上述的下沉動作，亦即最後下沉的n號浮沉子上浮到「頂天」，裁判說「下一個」口令後，（n-1）號的浮沉子才可開始上浮的動作。在上浮的過程中，n號要頂天，（n-2）號以下的浮沉子要立地等候。
4. 在操作「上浮」的過程中，任一浮沉子的頂端過了「中線」，就「視同上浮」，因此，若這個浮沉子不該上浮，就算其違規上浮了。
5. 已依序完成上浮動作的浮沉子，在操作其他浮沉子上浮時，因任何原因而再下降了，就視同沒有該浮沉子，而不計其績。
6. 操作1~5號的浮沉子時，不管下沉或上浮，均須單手操控，違者不計其成績。
7. 評分方法見後述，從評分的例子可以看出，要得點高，關鍵在於操控動作要確實，不在於浮沉子多。
8. 本項活動所需的浮沉子，雖然必須在現場指定的時間內製作，但因其製作與調整吸水量，均需要相當多的練習才能熟練，而所需材料均很容易取得，因此各位參賽者，要在事先勤加練習製作與操控浮沉子。

(三)評分標準

1. 任何依序下降或上升的每一個浮沉子，各得1點，而未依序下降或上升的浮沉子，亦即下降時超前，上升時落後，則視同沒有該浮沉子的存在，故不計其成績。
2. 例如下降的順序是1253476，則因5號與7號的浮沉子超前下降，就視同沒有了5號與7號的浮沉子，因此只剩下12346號的5個浮沉子依序下沉，所以得5點；若是1345627則因3456均超前於2，先下降，故只能算127號的3個浮沉子，所以只能得3點；若是2345671，則只能得1點。同理，上升時也以類似的方式計點，示例如表一。
3. 每隊四人的成績加總，作為該隊活動一的成績。

四、活動二：聽話沉浮

場地需求

沒有特別的需求，課桌椅也可以。

使用器材

大會：無 自備：見後面九的材料總表

競賽說明

(一)操作方式

1. 活動二為開放型的，因此材料自備，瓶子及浮沉子的材質、大小、形狀均不限，但瓶子必須透明玻璃製的，容積600mL以上，而浮沉子必須兩個（長度必須小於5公分，製作方法見附件一），並分別標明A與B。於比賽前預先製作完成兩組遙控式浮沉子攜至會場。在本項競賽開始前，要自行檢查並調整好，等候比賽。
2. 在比賽操作前要先宣告操作的項目以利計點，而每一項目只能有兩次的操作機會。
3. 計點方式舉例如下：為說明方便，兩個浮沉子分別以A與B代表，比賽操作時兩個浮沉子應標明A與B，並塗以不同顏色以利裁判分辨。

下降時A先B後，簡記為（降）AB；上升時B先A後，則記為（升）BA。 同時上升或下降則A與B間以短線相連，並用（）括在一起：

(1)順向降升

例1：（降）AB .........................得10點(基本分)

例2：（升）BA .........................加10點

(2)逆向降升

例3：（降）BA .........................加10點

例4：（升）AB .........................加10點

(3)同時降升

例5：降（A-B） ........................加10點

例6：升（A-B） ........................加10點

(4)上下交換

例7：A（升）B（降） ...................加10點

(註：約在同一時間，A從瓶底往上升、B從瓶頂往下降，亦即A與B，上下交換位置)

例8：A（降）B（升），例7的反向 ........加10點

(5)等候迎送

例9：一個停在中間，另一個由底部上升至頂端 加10點