[分享]浮沉子—有趣的科學實驗

[分享]浮沉子—有趣的科學實驗

小豬頭 於 星期日 二月 22, 2004 11:12 am


民國53年在台北市北投國中任教時,赫然發現「浮沈子」乙項在理化儀器目錄中。當時就在一個大量筒中裝水約五分之四滿再置入浮沈子,用手掌迅速密蓋筒口來改變氣體壓力,使人形浮沈子潛降。此後常將浮沈子設計為波義耳定律計算題應用於教學。近讀九月份科學教育月刊第35頁的「浮沈的玩偶與浮體的比重」,文中提出多種樣式浮沈子的製作方法甚為實用有趣。本文擬就其教學上應用加以討論。

如何放置浮沈子

在水中,水會部分進入浮洗子內,浮在水面時浮沈子內的氣體壓力約等於液面大氣壓力。放置浮沈子的方法,通常將浮沈子開口向下,垂直輕放入水中,最理想的情況是水幾乎沒頂。欲達此理想,可調節浮沈子內液體或氣體量;先將浮沈子在空中開口向上,注入過量水液,以手指按住開口,使開口向下輕置水中後,手指再放開。試得理想位置時即以油性筆作記號,俾日後再用方便。另一方法類似排水集氣法;在水中用細管吹過量氣體進入裝滿水的浮沈子內。

浮沈原理

                         浮沈子不動時;浮力等於重量。
                         浮沈子下潛時;浮力小於重量。


而浮力等於物體排開的流體重量,浮力等於浮沈子排開水的體積乘以水的密度。藉著水面壓力增大,再由水來傳達壓力,使浮沈子中氣體體積減小,如此,進入浮沈子內的水量增多,致浮沈子連同氣體及水的總重量增大,當浮力小於重量時浮沈子開始下沈。
巴斯卡原理是液體內一點受壓時,液體傳達壓力至液內各點,其壓力強度不變。當施壓於水面時見壓力由水傳達至浮沈子內的氣體,使其體積變小。此時,因浮沈子內水液在氣體下方,液壓傳達使水的向上壓力增大,若干學生可能認為浮沈子受到較大的向上壓力,故應上升,這是沒有認清浮沈子上部也受到向下壓力增大所致。

實際上,浮沈子一旦下沈後,因液深漸大,液壓增大,使浮沈子內氣體體積更小,浮力更減而加速下降。

另一種浮沈解釋法是密度的改變:當浮沈子平均密度等於流體密度時,浮沈子不動。

浮沈子平均密度大於流體密度時,浮沈不下沈。

浮沈子平均密度是指浮沈子材料、內部氣體及流體的總平均密度,本文為便於定量討論,祇考慮玻璃製同形浮沈子。密度等於質量除以體積,浮沈子材料的質量固定,氣體質量相對很小可以忽略,當浮沈子內氣體受壓而體積減小時,進入浮沈子內的流體量增多,使浮沈子內流體的重量變大,即浮沈子的總質量增加,在浮沈子包含氣體、流體的總體積不變之下,浮沈子的平均密度因而增大。

小豬頭
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