密閉的浮沉子

1.目的

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，進而比賽誰最能操控浮沉子聽話，使其依序下沉，反序上浮。

2.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)的關係如下：

D = M/V

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其周圍的水密度大或小，甚至相等。若能夠如此調整就可操控浮沉子的下沉或上浮，以及停在水中。

「帕斯卡原理」說：「密閉流體的任一部分受壓，所受的壓力強度會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，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。浮沉子的這種沉浮原理與潛水艇的沉浮原理相同，活動一就是基於這個原理而設計的競賽。

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，就可依阿基米得原理改變其在水中所得的浮力，也可以操縱其沉浮次序。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。浮沉子的這種沉浮原理與魚兒沉浮的原理相似。活動二就是基於這個原理而設計的競賽。

3.活動一：可調整重量的浮沉子依序沉浮

★場地需求

沒有特別的需求，課桌椅也可以。

★使用器材

大會器材

吸管（內徑約0.5~0.7CM）10支

銅釘（6分）60支（競賽後大會統一回收）

自備器材

寶特瓶（透明，約600 mL）

蠟燭

打火機

鉗子

尺

剪刀

美工刀

簽字筆（油性）

茶杯

抹布

浮沉勾（製作方法，見附件一）

★競賽說明

(一)操作方式

  於40分鐘內，在現場每兩人隊員一組製作n個可調整重量的浮沉子（n的大小不限，製作方法，見附件一），在其上端的兩面均要寫號碼(必須順號,不可缺號),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-1、n）順序下降後，再依順序（n、n-1、...、3、2、1）上升。

1.每隊要製作浮沉子兩瓶，每兩人隊員一組，要合力製作一組浮沉子共用，輪流操控同一個寶特瓶，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60支。

3.製作與調整時間共40分鐘。

4.各隊自備剪刀、美工刀、鉗子、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。

(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出水面，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，以此類推至n號浮沉子。

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，不論任何原因下降了，也視同違規。

6.操作1~3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調整以便操控浮沉子。