密閉的浮沉子

出自 全民科學平台
於 2019年2月14日 (四) 07:36 由 張鈞祺 (對話 | 貢獻) 所做的修訂 (2.原理)
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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

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)