密閉的浮沉子

出自 全民科學平台
於 2019年2月14日 (四) 07:43 由 張鈞祺 (對話 | 貢獻) 所做的修訂 ((二)注意事項)
前往: 導覽搜尋

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)


★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。

(三)評分標準

1.任何依序下降或上升的每一個浮沉子,成功就得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,則視同違規,扣0.5點。浮沉子的編碼必須順號,任何缺號或未兩面都寫號碼的浮沉子,均視同違規,每一缺號或未兩面都寫號碼的浮沉子均扣0.5點。

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5號與7號的浮沉子違規,因此只剩下12346號的5個浮沉子依序下沉,可得5點,但因5號與7號違規,扣(0.5*2)=1點,所以實得4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,共得3點,但因3、4、5、6號四個浮沉子違規超前扣(0.5*4)=2點,所以實得1點;若是2345671,則只能算1號浮沉子成功,故可得1點,但因其他6個浮沉子均超前扣(0.5*6)=3點,所以實得-2點(負二點)。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排序後,依六等第計分法(見表二)計分,得成績x,作為該隊活動一的成績。