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水壓力握力器與浮沉子救生員

文/《物理好好玩》——物理實作好好玩

「水壓力握力器與浮沉子救生員」科學實作的編寫架構與前兩期不同,本期筆者想將根據操作步驟與操作過程中所產生的現象觀察、推理…等以 STEP BY STEP 逐步的歷程相互融合在科學實作的學習過程。科學實作教學與現階段課堂教學的差異是在科學實作活動中操作步驟與觀察、推理等歷程是接續發生又相互對照的關係,教師與學生可以從科學實作操作過程中的現象觀察與推理兩者間相互對比與比較關係中找到符合科學現象的規律性關係,因此讀者可以根據操作與現象的理解和推論間取得符合科學現象的邏輯關係。

材料

1. 水與空氣壓縮效果實驗:30 cc 塑膠注射針筒、橡皮擦、小型塑膠杯,如圖 1 所示。

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2. 水壓力握力器:透明細硬吸管、600 cc 寶特瓶、尖嘴鉗、打火機、油性細字簽字筆、直尺。

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3. 浮沉子救生員:4cm透明細硬吸管、600 c.c寶特瓶、尖嘴鉗、打火機、剪刀、大型塑膠杯、小銅釘、細漆包銅線。

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細吸管封口

將細吸管的平口端露出尖嘴鉗約 1 mm,再用尖嘴鉗夾緊細吸管。點燃打火機,以緩慢方式將熱源靠近尖嘴鉗露出細吸管加熱。細吸管塑膠軟化收縮後,即移開打火機停止加熱,夾緊尖嘴鉗等候加熱軟化收縮塑膠冷卻。

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【注意事項】加熱時間不可太久,以避免細吸管膠過度軟化或燃燒!

製作步驟

一、水與空氣壓縮效果實驗

1. 將 10 cc 水注入 30 cc 塑膠注射針筒內,再將塑膠注射針筒活塞拉至 20cc 刻度位置。

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  • 現象觀察與推理思考:此時針筒內水體積量與空氣體積量各為多少?

2. 將橡皮擦放置桌面,以垂直方式將塑膠注射針筒口壓在橡皮擦位置上,並用手壓住針筒活塞後往下壓。

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  • 現象觀察與推理思考

a. 觀察針筒內水體積量與空氣體積量有何變化?

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b.下壓活塞壓力固定後,試計算水的壓縮比值(影像)與空氣的壓縮比值(影像)。

水壓力握力器 

1. 用尖嘴鉗與打火機將細吸管平口端封口。用直尺及油性細簽字以 0.5 cm 間隔長度在吸管管身劃記 

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2. 將 600 cc 寶特瓶裝滿水後,再將封口細吸管開口端壓入瓶內直至細吸管完全沒入後扭緊寶特瓶蓋記錄封口細吸管內水柱高度 

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  • 現象觀察與推理思考

試根據水壓力 (P) =水深度 (h) × 水密度 (d),計算產生此水柱高度的水壓力大小。

3. 以不同力量大小壓擠保特瓶身,觀察封口細吸管內水柱高度大小與力量大小的關係。

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4. 試根據觀察到的水壓力 P 與細吸管內空氣體積 V,驗證是否符合波以耳定律?

波以耳定律:在定溫度及定量氣體條件下,密閉容器內氣體壓力 P 與氣體體積 V 乘積為固定值,即影像

三、1 救 1 浮沈子救生員裝置

1. 用尖嘴鉗與打火機將長約 3 公分細吸管的平口端封口。

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2. 將2支一端封口的細吸管分別用 3 支小銅釘以均衡交錯方式插入細吸管開口處。

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3. 剪下 2 段 8 cm 細漆包銅線,以細漆包銅線中間分別纏繞在細吸管封口處(沉體) 與開口處(浮沉子救生員),多餘細漆包銅線可彎折成彎曲成勾狀。

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4. 將 500 cc 透明塑膠杯盛裝約 9 分滿水,將沉體與浮沉子救生員置入杯內,觀察沉體與浮沉子救生員的浮沉情形?

5. 在水中擠壓沉體與浮沉子救生員細吸管位置,觀察沉體與浮沉子救生員開口處會產生何種現象?

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6. 鬆開手,比較擠壓前與擠壓後,沉體與浮沉子救生員在水中的狀態有何差別?

7. 重複擠壓沉體與浮沉子救生員,以調整沉體與浮沉子救生員在水中的位置,使沉體恰可緩緩沉至塑膠杯底部,而浮沉子救生員少許封口部分恰浮在水面上!(思考:此時沉體與浮沉子救生員所受浮力與各自的重量之間有何關係?)

  • 現象觀察與推理思考

將浮沉子救生員的救生勾勾住沉體的被救勾後,再緩緩置入杯內水中。

a. 若兩者同時沉入水中時,此時兩者所受浮力與沉體重量間有何關係?

b. 若兩者同時漂浮水面下時,此時兩者所受浮力與沉體重量間有何關係?

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8. 將600 cc 寶特瓶裝 9 分滿水,將可同時漂浮水面下的浮沉子救生員與沉體分別置入瓶內後,將瓶蓋扭緊。

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  • 現象觀察與推理思考

a. 用手擠壓寶特瓶身位置,此時,觀察到浮沉子救生員吸管內的水柱高度有何變化?同時浮沉子救生員在水中的浮沉狀態會產生何種變化?

b. 調整浮沉子救生員的下沉位置,再調整浮沉子救生員救生勾,使它能勾住沉體的被救勾。鬆開擠壓瓶身的手,此時可觀察到何種現象?

四、1 救 2 浮沉子救生員裝置

1. 兩支沉體的調整都是以能「緩慢」沉入水中為宜。(當沉體重量稍大於沉體浮力時,可觀察到沉體會「緩慢」沉入水中。反之,當沉體重量遠大於沉體浮力時,可觀察到沉體會「迅速」沉入水中。)

  • 現象觀察與推理思考

a. 將1支浮沉子救生員救生勾勾住 2 支沉體,此時浮沉子救生員與 2 支沉體恰可漂浮在水面下方,此時浮沉子救生員與沉體所受浮力與浮沉子救生員和沉體重量間有何關係?

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b. 將浮沉子與沉體置入寶特瓶內,用手擠壓瓶身,此時浮沉子救生員位置會如何改變?

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c. 調整浮沉子救生勾分別勾住沉體,鬆開手後,浮沉子救生員與沉體所受浮力與浮沉子救生員和沉體重量間有何關係?

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五、2救1浮沉子救生員裝置

1. 沉體的調整是以能較快沉入水中為宜。

  • 現象觀察與推理思考

a. 將 2 支浮沉子救生員救生勾分別勾住沉體,此時浮沉子救生員與沉體所受浮力與浮沉子救生員和沉體重量間有何關係?

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b. 2 支浮沉子救生員勾住沉體恰可漂浮在水面下方,此時浮沉子救生員與沉體所受浮力與浮沉子救生員和沉體重量間有何關係?

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c. 調整第 1 支沉子救生員救生勾能勾住沉體的被救勾後,鬆開擠壓瓶身的手,此時可觀察到何種現象?

d. 再調整第 2 支沉子救生員救生勾能勾住沉體的被救勾後,鬆開擠壓瓶身的手,此時可觀察到何種現象,此時浮沉子救生員與沉體的重量與浮力間有何關係?

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學習水壓力握力器與浮沉子救生員有關科學原理

1. 先談談浮沉子:浮沉子是一個非常經典且悠久歷史的科學實作,但是坊間對於浮沉子所產生相關現象的科學原理解釋卻是有些疑問!浮力是指物體在流體中因排開流體所受到流體作用的力,根據阿基米德浮體原理可知浮體浮力 (B) = 浮體沉入流體體積 (V) × 流體密度 (D)。因此,可知會影響物體所受浮力大小的變因是沉入流體中的物體體積與排開流體的密度!但實際觀察浮沉子救生員操作,擠壓寶特瓶瓶身產生水壓力的作用並未改變浮沉子救生員的體積,而真正使浮沉子救生員產生下沉與上浮的變因是浮沉子救生員的重量或密度的改變!讀者用手擠壓瓶身時,液體壓力擠壓浮沉子救生員細吸管內的空氣,因空氣受水壓力作用產生的體積變化較大,使得進入浮沉子救生員細吸管內的水量變多。因此,從浮沉子救生員觀點可得知雖然浮沉子救生員體積不變,但浮沉子救生員的密度會增加,即浮沉子的重量會增加!當手擠壓瓶身時,水壓力變大使水流入浮沉子救生員,浮沉子救生員重量大於浮沉子救生員所受浮力,浮沉子救生員即下沉。反之,當手鬆開瓶身時,水壓力變小使水流出浮沉子救生員,浮沉子救生員重量小於浮沉子救生員所受浮力時浮沉子救生員即上浮。

2. 物質壓縮效果:

(1) 以組成固態、液態與氣態等物質狀態的微觀粒子學說與巨觀體積變化觀點,固體組成粒子的粒子間距較小及粒子位置固定,當固體受力時,固體組成微觀粒子間距改變較小,故固體巨觀體積變化亦較小。

(2) 液體組成粒子的粒子間距雖較固體大及粒子位置不固定,當液體受力時,液體組成微觀粒子間距改變較小,故液體巨觀體積變化亦較小。

(3)氣體組成粒子的粒子間距較固體與液體大許多及粒子位置不固定,當氣體受力時,氣體組成微觀粒子間距改變較大,故氣體巨觀體積變化較大。即以相同壓力作用時,壓縮效果是固體<液體<氣體!

3. 力的作用與效應:不考慮與物體接觸面的大小,可使物體產生形變與運動狀態改變的物理量。

4. 壓力的作用與效應:要考慮與物體接觸面的大小,可使物體產生形變與運動狀態改變的物理量。

5. 密度:描述物質單位體積內所含物質量的物理量,或描述物質組成的緊密與稀疏程度的物理量。

6. 靜止水壓力:指由靜止水對物體表面產生的壓力,根據壓力=重量/面積關係,容器內底部面積A上若盛裝深度為h、密度為d的液體時,此時容器內底部面積A承受壓力=液體重量/容器內底部面積,即影像

7. 水壓機帕斯卡原理:在密閉容器內當某位置受壓力作用時,此壓力可藉容器內液體傳遞至整個容器。

8. 沉體與浮體:指物體在流體中因物體所受浮力與物體重量或物體與流體之密度不同,使物體在流體中浮沉狀態。當物體與容器底部接觸時,物體稱沉體,當物體部分浮出液面或完全在液面下但未與底部接觸時,物體稱浮體。

9. 阿基米德浮力原理:指物體在液體中所受浮力與物體沉入流體的體積及流體密度有關,即物體浮力=物體沉入液體體積×液體密度。

10. 波以耳定律:在定溫度及定量氣體條件下,密閉容器內氣體壓力與氣體體積乘積為固定值,即影像

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物理好好玩 X 物理雙月刊

物理好好玩內的文章來自於中華民國物理學會旗下科普雜誌「物理雙月刊」,透過國內物理實作專家為讀者帶來許多有趣及簡易的物理教具、玩具製作;利用隨手可得之器具及材料,來展示許多物理現象,是本專欄最大的特色。快點跟我們一起玩物理吧!