浮沉子

出自 全民科學平台
前往: 導覽搜尋

原作者:蕭次融
關鍵詞:阿基米德原理,浮力,排水量
同義詞:浮沈玩偶,潛水艇
科普大師蕭次融教授一出現,全場觀眾就嗨了起來。只見蕭教授手裡握著一個盛水的寶特瓶,瓶口密閉而瓶中有數個吸管做的浮沈子;在蕭教授的咒語下,浮沈子依序下沈又上浮,甚至可以隨意改變浮沈的順序!


探究問題

浮沈子玩具為什麼必須封住瓶口?阿基米德原理是什麼?潛水艇如何隨意沈浮?如何打撈沈船?如何計算船舶的排水量?


實作項目

  1. 材料
    羊奶瓶(內容量190mL,外體積240mL),寶特瓶(600mL),細吸管,迴紋針,紅磚,軟管,塑膠杯,5L大水桶(切掉上部)
  2. 製作
    大水桶內裝水七分滿,桶內倒立一支裝滿水的羊奶瓶,瓶內有一根軟管連到桶外。
  3. 操作
    把吸管剪成5cm長,對折後用迴紋針夾住吸管的兩端,成為浮沈子。把浮沈子放在一杯水內,調整迴紋針的數量與在吸管內的深度,讓吸管頂端恰好浮在水面上。
    1. 猜測:在寶特瓶內盛水九分滿。把兩支浮沈子輕輕放入瓶中再鎖緊瓶蓋。輕壓輕放寶特瓶,使兩支浮沈子能聽指揮下沈與上浮,並能改變浮沈的順序。先猜想如何操作再實踐。
    2. 猜測:在大桶內對軟管吹氣,使羊奶瓶浮起,且瓶底恰好貼齊水面。用針筒計算羊奶瓶中有多少水量被排出,先推算羊奶瓶的質量再實測。
    3. 猜測:取一塊紅磚和數個寶特瓶用橡皮圈綁在一起成為一艘船。猜想至少須綁幾支600mL寶特瓶才能使紅磚浮起?先猜想再實作。


結果與討論

阿基米德發現:在水中,「物體排開的水重」等於「物體受到的浮力」。可以用簡單的數學證明阿基米德原理,也可以想像:「水中一團水」的重量等於「這團水受到的浮力」,因為這團水可以漂浮在水中的任意位置。

  1. 結果:壓寶特瓶時,由於氣壓增加,使水由吸管口流入浮沈子內,增加了浮沈子的重量,就有可能使浮沈子下沈。若是兩個浮沈子的開口大小不同,強壓或輕壓寶特瓶會使水的流速不同,於是開口大的浮沈子就可能先沈或先浮。
  2. 結果:吹入60mL的空氣時,會使羊奶瓶剛好浮在水面上,此時瓶內水重為190-60=130gw。瓶子受到的浮力為240gw,於是羊奶瓶的重量為浮力減水重,M=240-130=110gw。
  3. 結果:兩支寶特瓶的體積為1200mL,空瓶的重量很輕不計。磚塊的體積為20×10×5=1000cm3,所以二支寶特瓶與磚塊的最大浮力為1200+1000=2200gw,足以讓重量約2000g的磚塊浮起來。



教學目標

各年齡層皆適用,國中以上可討論計算題。

  1. 知識上:認識浮沈子與阿基米德原理。
  2. 技能上:能討論浮力的計算,會製作具有適當排水量的船。
  3. 情意上:喜歡科學動手做,欣賞老人家的智慧。

應用

  1. 在科學上:阿基米德原理。
  2. 在科技上:船舶與潛水艇的設計,打撈沈船,製作熱氣球。
  3. 在藝術上:設計美麗的潛水艇,浮沈子的花式玩法。
  4. 進階活動:用寶特瓶設計具有「最大載重」且以風力驅動的競速船。

參考資料