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力學 標題:浮沉玩偶的動畫
1:黃福坤(研究所)張貼:2008-08-11 23:34:21:
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以下兩個動畫是模擬浮沉玩偶
先單獨一個動畫如下(平常手壓寶特瓶改為從上方壓彈簧)

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2:黃福坤(研究所)張貼:2008-08-11 23:35:16: [回應上一篇]
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接下去換成兩個可以操控 讓一個往下 另一個往上 或者兩個都停在中間

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3:黃福坤(研究所)張貼:2008-08-12 00:35:11: [回應上一篇]

浮沉玩偶


設計者:蕭次融 教授


 
 

「魚兒魚兒水中游,游來游去真快樂!」還記得兒時哼唱的歌曲嗎?看到魚兒在水中能快樂悠閒地游來游去,真令人羨慕。自人類發明潛水艇後,人也能學魚兒在水中任意浮沉了。今天我們將運用魚兒及潛水艇在水中能任意浮沉的原理,製作一有趣的科學玩具?浮沉玩偶。

 

浮沉玩偶(浮沉子)的種類很多,製作方法也各有不同,以下僅舉較簡便的例子提供大家參考。

 

exp8a.gif (10598 個位元組)

【器材】保特瓶(汽水類,透明、附說^ 1個
        塑膠製的點滴吸管(容量為1 mL) 2支
        銅釘(長約2㎝) 10根
        燒杯(250mL)或茶杯 1個
        剪刀、打火機

【步驟】

  1. 準備兩支容量為1 mL塑膠製的點滴吸管,將細管部分剪掉,約留1㎝,如圖A所示。

    exp8b.gif (9162 個位元組)

  2. 取一支點滴吸管,從點滴吸管頭部下方插入3~5根不易生蛌獄仱v,如圖B所示,一個「浮沉子」就完成了,如果再用油性筆在點滴吸管頭部畫上一個娃娃臉,就變成更可愛的『浮沉玩偶』了。
  3. 將 做好的浮沉子放置於裝水的燒杯中,調整浮沉子的浮沉程度,使浮沉子在水中露出一點點頭部,如圖C所示。調整方法如下:用手指捏住浮沉子,並在水中擠壓浮沉 子,當手指輕輕一放,水就進入浮沉子中,因此浮沉子的重量增加,則在水中會稍為下沉。若浮沉子沉入水中,則取出浮沉子,用手指輕輕擠壓浮沉子,水就會滴 出,則可減輕浮沉子的重量。如此反覆數次,就可以調整浮沉子的浮沉程度了。
  4. 取另一支點滴吸管,先用打火機加熱點滴吸管口,當受熱部分變成透明狀,放在桌上以打火機的底部壓一下,封閉點滴吸管口,如圖D所示。重複步驟2,再用別針在兩銅釘間刺一小孔,如圖E所示。然後,按照步驟3所述的方法,調整浮沉子的浮沉程度。
  5. 保特瓶內裝水近滿,將做好的兩個浮沉玩偶放入瓶中,遣繰~說A瓶內水面上方留有少釭躓藇W。以一手握住保特瓶,然後用手指輕輕壓放保特瓶,你就會看到浮沉玩偶,隨你的指揮上上下下的浮沉了。

 exp8c.gif (34163 個位元組)

【討論】

  1. 阿威ㄎ認為,國小階段只要利用簡單的密度概念久可以解釋浮沉子的浮沉情形,當浸水量大到重量對體積的比值(也就是密度的值)大於水的比值1時,浮沉子就會沉,小於就會浮。以下是國中部分的原理︰
  2. 阿基米得原理:物體在液體中所受的浮力等於所排開的液體重。
  3. 巴斯卡原理:密閉流體的任何部分一旦受到壓力,此壓力可傳至流體的每一個部分,而且壓力大小不變。
  4. 波以耳定律:密閉容器內的氣體,在溫度不變的情況下,當氣體的壓力與氣體的體積成反比(PV=定值)。
 
 

物體在水中的浮沉,與物體的重量和物體沉入水中的體積有關。當物體的重量大於浮力時,物體就會下沉,反之,則浮至水面上。對於外形固定的浮沉玩偶而言,如能改變浮沉玩偶的重量,就可以輕鬆地操控浮沉玩偶的浮沉了。

 

當 用手指輕輕擠壓保特瓶瓶壁時,手所施的壓力會經由水傳至瓶內各部分,此時浮沉玩偶內部空氣的體積受到壓縮,瓶內少釭漱禲]也野u有一滴的水量)進入浮沉玩 偶中,浮沉玩偶的重量增加,所以浮沉玩偶下沉。當手指稍微放鬆時,浮沉玩偶內部空氣的壓力又會將水排出,浮沉玩偶的重量減輕,因此又浮至水面上。由於兩個 浮沉玩偶的進水孔大小不同,運用手指擠壓、放鬆瓶壁的技巧,就可以控制水量進出小孔的快慢,進而改變兩個浮沉玩偶的浮沉次序。

 

準備一個扁、寬形狀的透 明塑膠瓶(像裝洗髮精、清潔劑類的瓶子),並在塑膠瓶內裝水近滿。調整浮沉玩偶的浮沉程度,使其在水中只稍微露出一點點頭部,然後將浮沉玩偶放入塑膠瓶 中,遣繰~說A瓶內水面上方留有少釭躓藇W。當用手指輕輕擠壓瓶子的寬邊部分時,浮沉玩偶會沉入水中,待浮沉玩偶下沉後,即使手不再擠壓瓶壁,浮沉玩偶依 然會沉入瓶底而不上浮。此時若用手指輕輕擠壓瓶子的窄邊部分時,浮沉玩偶反而會浮至水面上。

 

用手指輕輕擠壓瓶子的寬 邊部分時,手所施的壓力使浮沉玩偶內部空氣的體積受到壓縮,瓶內少釭漱艨i入浮沉玩偶中,所以下沉。浮沉玩偶沉入瓶底後,水所造成的壓力取代手所施的壓 力,浮沉玩偶內部空氣的壓力不足以將水排出,因此即使手不再擠壓瓶子,浮沉玩偶依然會沉於瓶底而不上浮。此時,若用手指輕輕擠壓瓶子的窄邊部分,瓶內水面 上方空氣柱的體積略增,則壓力略減,浮沉玩偶內部空氣的壓力會將水排出,浮沉玩偶的重量減輕,浮沉玩偶反而會上浮。

 

【參考資料】

  1. 蕭次融,民84,遠哲科學趣味競賽手冊,6~9頁。
  2. Paul Dohery&Don Rathean,The Spinning Blackboard and Other Dynamic Experiment on Force and Motion,New York,WILEY,pp36~41,1996.

以下是浮沉玩偶的圖片


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