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動手玩科學—浮沉子

國教輔導團自然領域林松源輔導員
 
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開放式浮沉子

一、器材:寶特瓶、吸管、迴紋針、剪刀、番茄醬包。

二、步驟
  • 1.剪一小段吸管約6公分(如圖1),再對折。
  • 2.將迴紋針套進對折的吸管管口,使吸管不會張開,就完成沉浮子(如圖2)。
  • 3.將水盆或杯子裝水,把做好的浮沉子輕輕放入。
  • 4.按捏浮沉子將氣體排出少許,調整入水量,讓浮沉子幾乎完全沒入水中,只浮出水面一點點(如圖3)。
  • 5.將寶特瓶裝9分滿的水,放入做好的浮沉子,旋緊瓶蓋後(如圖4),用手壓寶特瓶,浮沉子就會沉下去;手放鬆,浮沉子就會聽話浮上來。

圖1 圖2
圖3 圖4

三、原理

浮沉子浮在水面時,其重量向下與浮沉子所受向上的浮力成平衡,大小相等、方向相反同時作用在浮沉子上,如果要讓浮沉子聽話下沉,就必需改變浮沉子的重量,或沒入水中的體積(阿基米德原理),也就是讓浮沉子變重、或沒入水中的體積縮小造成浮力減少就可以操控浮沉子下降。手壓迫寶特瓶時,因為保特瓶內壓力增加,水會進入沉浮子中(帕斯卡原理),同時吸管體積有可能因外在壓力增加而造成體積變小,空氣體積受到壓縮變小但氣體質量不變密度變大了,或是浮沉子中的水重量相對增加而增加了密度,浮沉子就會沉下去。反之,當手鬆開寶特瓶時,瓶內壓力降低氣體膨脹密度變小,水從浮沉子內排出且吸管體積因所受壓力變小而體積膨脹,浮沉子密度就會變小與排開水量增加浮力增大了,因此合力向上,浮沉子就開始向上移動。

阿基米得原理:一個物體在液體中得到的浮力等於其所排開的液體的重量。也可以牛頓第三運動定律解釋:作用力(排開的液重)等於反作用力(浮力)。

帕斯卡原理:密閉流體中的任一部分受到壓力,所受的壓力可以傳至流體的每一部分,而且大小不變。應用在煞車系統、千斤頂、水槍。

密度:單位體積所含的質量。

四、浮沉子遊戲

  • 1. 做出依照順序下降的浮沉子。順序與浮沉子的長度有關嗎?http://youtu.be/daiKtuo2XGQ
  • 2. 救生員浮沉子。設計一個溺水的浮沉子和帶有救生勾的救生員浮沉子
    梅期光老師http://youtu.be/nDcSwFaL9qw
  • 3. 旋轉花式浮沉子。
密閉式浮沉子

若浮沉子完全密閉,水就不能進出浮沉子改變它的密度,若能改變其中氣體體積就能改變密度的大小,也可以操縱其浮潛。例如番茄醬密閉浮沉子,若密度小時露出水面部分較多(圖5),我們可以夾上迴紋針讓它變重,調整密度接近水的密1g/cm3,也就是幾乎完全沒入水中(圖六),這樣操控會比較輕鬆些,因為只要稍微施力壓寶特瓶,密閉浮沉子受壓體積縮小而質量不變,密度輕易的超過水的密度而下沉;反之手放鬆,浮沉子體積膨脹回復、密度變小就會浮上。

圖5 圖6

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