遙控的浮沉子

出自 全民科學平台
於 2019年2月21日 (四) 03:11 由 張又懿 (對話 | 貢獻) 所做的修訂 (原理)
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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。