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

例10：一個停在中間，另一個由頂端下降至底部 加10點註：以上例舉僅供參考，比賽時上舉的次序不拘，但要事先告訴裁判操作的項目。

(二)補充說明

1. 玻璃瓶要用油性筆劃兩條平行的圓周，或用兩條橡皮筋套在瓶身，將瓶子分為高度幾近相等的三個區域：（上）、（中）、（下）。
2. 操作例1至例4時，要保持浮沉子一個在（上）區，一個在（下）區。
3. 例5與例6是「同時升降」，因此操作時，兩個浮沉子要一起升或降，並且在上升或下降過程中的任一時刻，兩個浮沉子的高度相差不得大於任一浮沉子的長度。
4. 例7與例8是「上下交換」，因此操作時，要兩個浮沉子一升一降，在（中）區相會後錯開，又各自繼續升降。因此在開始操作時，兩個浮沉子必須一個在頂端（頂天），另一個在底部（立地），此一狀態稱為「頂天立地」，除需要幾乎同時升降之外，亦必須在中區相會後，繼續各自上升與下降。
5. 例9與例10是「等候迎送」，因此操作時，必須將兩個浮沉子中的一個停留在（中）區等候，以迎送另一個浮沉子上浮或下沉。

(三)評分標準

1. 計點的方式如前述，每一項目成功得10點。
2. 操作活動二時，玻璃瓶子要放在桌上，不可手扶瓶子，要以遙控的方式操控浮沉子下沉或上浮。
3. 評等
   1. 活動一：四個人的得點相加，按得點總和高低排序後，依六等第計分法（見表二）計分，得成績x。
   2. 活動二：將四個人的得點相加，按得點的總和高低排序，然後依六等第計分法計分，得成績y。
   3. 名次
      1. 活動一的成績（x）加上活動二的成績（y）後得z。
      2. 依z的高低排序後，再以六等第計分法（見表二）計分與名次，分數最高的隊伍頒發單項競賽優勝獎。若分數相同時以活動二得分高者獲得，若活動二的分數再相同時以抽籤決定單項競賽優勝獎。
      3. 本項競賽：「遙控的浮沉子」的得分與大會的另外三項競賽成績相加後，依成績高低排序，總成績高者，依序頒發大會獎，總成績相同時，依競賽手冊中各競賽項目的排序一一參酌，以其得分作為評比的標準。
      4. 六等第記分法如表二：

活動三：創意浮沉子

競賽說明

只要能符合以遙控的方式操控透明玻璃瓶內的浮沉子下沉與上浮即可，沒有任何限制。歡迎有創意的造型與創意的操作，例如美麗的舞女跳華爾滋。 活動三的評分方式，依整體創意50%、功能30%、美觀20%等特色評分，得分最高的隊伍，頒發創意獎。此項評分獨立計算，不列入總成績內。 活動三單獨計績，與活動一、二的成績無關。

競賽時間=

1. 製作時間（含競賽說明）：30分鐘
2. 評審時間（含評分說明）：25分鐘

七、總評分

活動一與活動二，分別排序，以六等第計分後，兩部份的分數相加即為本項目成績。最高分者若不只一隊則以活動二成績較佳者為第一名，可獲單項冠軍。 活動三，創意競賽成績不併入大會獎計分，另予頒發數名創意獎。

八、給評分者的建議=

1. 檢查事項
   1. 活動一：
      1. 寶特瓶用簽字筆或橡皮圈劃有中線；
      2. 每一個浮沉子頂上雙面均寫編號；
      3. 製作浮沉子時，只可以用打火機或蠟燭。
   2. 活動二：
      1. 玻璃瓶上有明顯的記號，將瓶子分成上、中、下等三區域；
      2. 兩個浮沉子分別寫有A與B，並塗以不同的顏色。
      3. 檢查未通過者，取消該項目參賽資格。
2. 學生操作
   1. 比賽活動一時；
      1. 寶特瓶可放在桌上，或手拿瓶子，懸空操控均可，但1~5 號浮沉子的下沉上浮必須單手操作。
      2. 注意每一操作必須確實，亦即遵守「頂天立地」，學生完成一個動作後必須喊口令「下一個」，學生才可啟動下一個動作。
   2. 比賽活動二時；
      1. 玻璃瓶子必須置於桌上，在操作過程中的任一時刻，手均不得觸及瓶子。
      2. 學生必須先宣告做何操作，才可開始動作，而且每一項操作只能做兩次，若失敗，該項沒有成績但還可繼續作另項操作。
   3. 節省時間：一半隊伍可以在另一半隊伍正在製作活動一的浮沉子時，先行比賽活動二。