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）