簡易浮沉子的製作與操作

(A) (C) (B) 小 孔 油 黏

簡易浮沉子的製作與操作

余甄紘* 蕭次融

財團法人大學入學考試中心基金會

壹、學生實驗

一、前言

水 棲 動 物 遨 遊 水 中 ， 浮 沉 自 如 ， 多 令 人 羨 慕 。 其 實 任 何 物 體 在 水 中 的 浮 或 沉 ， 完 全 受 制 於 與 其 周 圍 的 水 的 密 度 相 比 。 1. 物 體 的 密 度大 於 水 的 密度，物 體就 會沉 下 去 2. 物 體 的 密 度小 於 水 的 密度，物 體就 會浮 上 來 3. 物 體 的 密 度等 於 水 的 密度，物 體就 會在 水 中 停 住

二、目的

使 用 身 邊 的 東 西 ， 製 作 浮 沉 子 ， 使 其 在 寶 特 瓶 內 的 水 中 浮 沉 ， 體 會 物 體 在 水 中 的 浮 與 沉 ， 並 且 設 法 操 控 浮 沉 子 的 沉 與 浮 ， 觀 察 如 何 改 變 物 體 的 密 度 ， 以 了 解 潛 水 艇 的 沉 浮 。

三、浮沉子的製法

可 以 用 來 製 作 浮 沉 子 的 材 料 有 多 種 ， 本 篇 所 用 器 材 都 是 在 身 邊 容 易 找 得 到 的 ， 而 且 其 製 作 的 方 法 也 很 簡 單 。 先 介 紹 三 種 ： (一 ) 使 用 筆 套 * 為本 文 通 訊 作者 1. 要 選用 筆 套 的 頂端 完 全 封 閉的，沒 有 小 氣 孔 ， 如 同 圖 一 的(A)。 2. 用 小 小 的 一 塊 油 黏 土 包 住 鉛 筆 的 筆 芯 後，塞 住 筆 套 口，抽 出 筆 芯 後，就 留 一 個 小 孔，如 圖 一 的(B)，以 便水 的 進 出， 好 調 整 浮 沉 子 的 重 量 。 3. 調 整 浮 沉 子 的 重 量 （ 增 減 筆 套 內 的 水 量 ， 或 增 減 油 黏 土 的 量 ）， 使 浮 沉 子 只 浮 出 水 面 一 點 點 ， 如 圖 一(C)。 圖 一 、 筆 套 浮 沉 子

(二 ) 使 用 吸 管 與 髮 夾 或 迴 紋 針 1. 取 一段 喝 飲 料 用的 吸 管，長 約 8 公 分， 將 其 對 折 如 圖 二 的(A)後 ， 用 一 支 髮 夾 或 迴 紋 針 將 已 對 折 的 吸 管 的 兩 股，從 管 口 將 其 夾 住 ， 如 圖 二(B)或(C)。 2. 在 一 杯 清 水 內 ， 用 手 指 壓 住 吸 管 的 兩 股，就 會 有 氣 泡 跑 出 來，然 後 在 水 中 放 開 手 指 ， 即 見 水 被 吸 入 吸 管 內 。 3. 調 節吸 管 內 的 水量，使 彎 了 後的 吸 管 頂 端 只 露 出 水 面 一 點 點 即 可 ， 如 圖 二 的 (D)。 要 特 別 注 意 ， 浮 沉 子 的 頂 端 ， 只 能 露 出 水 面 一 點 點，而 且 吸 管 的 開 口 不 能 太 大 ， 以 避 免 吸 管 內 的 水 容 易 掉 出 來 。 圖 二 、 吸 管 簡 易 浮 沉 子 (三 ) 用 熱 封 住 吸 管 1. 剪 一段 吸 管 約 5 公 分 長，用 打 火 機、酒 精 燈 或 蠟 燭 的 火 焰 底 部 的 外 焰 溫 熱(吸 管 靠 近 外 焰 ， 但 不 可 放 進 焰 內)， 使 吸 管 稍 微 熔 化 後 用 箝 子 夾 住，或 放 在 瓶 蓋 上，用 打 火 機 或 剪 刀 等 硬 體 的 邊 緣 壓 扁 管 口 ， 使 其 密 封 ， 如 圖 三 的(A)與(B) 2. 在 吸管 內 放 入 2~4 支 （ 視 吸管 的 粗 細 與 長 短 而 定 ）銅 釘（ 不 易 生 銹 ）後，又 封 住 吸 管 另 一 頭 的 管 口，然 後 在 兩 端 均 封 了 口 的 吸 管 上 端 寫 號 碼，另 一 端 用 另 一 支 銅 釘 扎 一 小 孔 ， 如 圖 三 的(C)。 3. 同 樣用 手 指 壓 扁吸 管 的 中 腹部，置 於 水 中 後 放 開 手 指，以 便 吸 入 水，然 後 放 在 杯 內 試 試 浮 沉 子 的 沉 浮 情 形，使 其 只 浮 出 水 面 一 點 點 即 可 ， 如 圖 三 的(D)。 圖 三 、(A) 吸 管 口 靠 近 外 焰 的 底 部 ， 利 用 外 焰 的 輻 射 熱 圖 三 、(B) 用 打 火 機 或其 他 硬 體 壓扁 管 口 (B) 髮 夾 (A) (C) 迴 紋 針 (D) 頂 端 只 露 出 水 面 一 點 點

小 孔 圖 三 、(C) 寫 了 號 碼 的 浮 沉 子 ， 在 底 部 有 一 小 孔 圖 三 、(D) 浮 沉 子 的 頂 端 ， 只 露 出 水 面 一 點 點

四、浮沉子的操作

1. 調 整好 的 浮 沉 子放 入 寶 特 瓶（ 瓶內 裝 水 9.5 分 滿 ）， 蓋 緊 瓶 蓋 後 ， 輕 壓 瓶 子 ， 看 看 浮 沉 子 是 否 會 沉 下 去 ？ 若 不 會，就 必 須 取 出 浮 沉 子，重 新 在 杯 子 調 整 浮 沉 子 內 的 水 量，使 浮 沉 子 比 先 前 的 稍 微 重 一 點，看 看 其 浮 沉 情 況 適 當 後 才 放 入 瓶 內 再 試 。 2. 當 放鬆 手 壓 後，浮 沉子 是 否 會自 動 浮 上 來 ？ 若 浮 沉 子 不 會 自 動 浮 上 來，沉 在 瓶 底，表 示 浮 沉 子 太 重，需 要 減 重，就 向 老 師 借 用 「 救 生 員 」， 用 救 生 員 將 沉 在 瓶 底 的 浮 沉 子，套 鈎 上 來，重 新 調 整 。 3. 若 一個 浮 沉 子 成功 了，能 夠浮 沉 自 如， 就 再 放 另 一 個 浮 沉 子 試 試 看，如 圖 四 ， 瓶 內 有 兩 個 浮 沉 子 。 圖 四 、 寶 特 瓶 內 的 浮 沉 子 受 壓 即 沉

貳、教師手冊

一、補充說明

本 篇 壹 的 學 生 實 驗 ， 可 依 其 浮 沉 子 的 三 種 不 同 製 法，分 為 三 種 教 材，分 別 實 施， 每 一 活 動 的 時 間 為 1 小 時 。 (一 ) 浮 沉 子 是 什 麼 ？ 「 浮 沉 玩 偶 」 這 個 名 詞 在 國 內 見 於 教 育 月 刊132 期(1990 年 9 月)， 但是 與 其類 似 的 名 詞 ， 例 如 潛 水 娃 娃 、 浮 沉 子 等 等 ， 早 已 散 見 各 種 書 刊。英 文 名 稱 為 Cartessian Diver，但 其 名 稱的 由 來，經 過許 多 人 的探 討 ， 截 至 目 前 為 止 還 沒 有 一 致 的 說 法 。

Richard Frazier 以「A PHILOSOPHICAL TOY」為 篇 名 ， 詳 細 討 論 這 個 名 詞 ， 認 為 與 偉 大 的 哲 學 家 笛 卡 兒(Rene Descartes， 1596~1650， 法 國 數 學 家 、 哲 學 家 )有 關 。

因 為 這 個 潛 水 夫(diver)讓 我 們 思 考 如 何 解 釋 物 體 浮 沉 的 問 題 ， 可 以 促 進 小 朋 友 學 習 科 學 的 興 趣。在 日 本 的 中 學 理 科 教 科 書(參 考 資 料3)以 及 小學 理 科 補 充教 材，都 稱為 「 浮 沉 子 」。1973 年出 版 的 「物 理 實 驗 事 典 」(參考 資 料 4)，浮 沉 子 仍然 用 小 玻 璃管 製 作 ， 放 在 量 筒 或 試 管 內 ， 以 壓 橡 皮 球 或 注 射 筒 操 作 。 以 前 還 沒 有 塑 膠 材 料 的 年 代 ， 要 製 作 浮 沉 玩 偶 就 沒 有 現 在 這 麼 方 便 ， 因 為 需 要 具 有 相 當 靈 巧 的 玻 璃 細 工 技 術 ， 才 能 製 作 理 想 的 浮 沉 子 ， 因 此 並 不 是 每 一 個 人 都 能 製 作 。 當 然 利 用 小 小 的 香 水 瓶 或 藥 水 瓶 也 可 以 當 作 浮 沉 子 。 (二 ) 浮 沉 子 為 什 麼 沉 不 下 去 ？ 自 己 製 作 的 浮 沉 子 沉 不 下 去 的 主 要 原 因，大 都 是 浮 沉 子 太 輕。因 此，補 救 的 方 法 有 二 ：(1)在 浮 沉 子 的 下 面 多 掛 一 個 迴 紋 針 ， 或(2) 讓 浮 沉 子 ( 吸 管 ) 多 吸 一 點 水。以 上 兩 種 方 式 都 可 以 增 大 浮 沉 子 的 密 度 。 (三 ) 本 來 好 好 的 浮 沉 子 ， 為 什 麼 現 在 不 聽 話 了 ？ 很 可 能 是 因 為 吸 管( 浮 沉 子 ) 內 的 水 位 太 低。在 這 種 情 況 下，若 壓 放 寶 特 瓶 的 力 道 太 大，就 會 導 致 浮 沉 子 內 的 空 氣 以 氣 泡 的 方 式 跑 出 去 ， 如 此 水 就 會 進 入 浮 沉 子，浮 沉 子 的 密 度 就 變 大 而 沉 在 瓶 底，因 此 即 使 放 鬆 手 壓 的 壓 力，浮 沉 子 也 不 會 浮 起 來。另 外，吸 管 浮 沉 子 放 在 水 中 太 久 了 會 長 霉 與 小 氣 泡，瓶 內 的 水 溫 改 變，也 會 影 響 浮 沉 子 的 沉 浮 。 (四 ) 要 如 何 才 能 將 沉 在 瓶 底 的 浮 沉 子 拿 出 來 ？ 把 寶 特 瓶 內 的 水 倒 出 來 ， 當 然 可 以 拿 出 浮 沉 子 ， 但 這 樣 不 僅 浪 費 水 ， 也 不 便 。 最 好 的 方 法 是 用 「 救 生 員 」 如 圖 五 ， 將 浮 沉 子 套 鈎 上 來 。 救 生 員 的 作 法 如 圖 五 ， 取 一 條 用 塑 膠 包 裹 的 鐵 線(PVC 內 包 鐵 絲)或 漆 包 銅 線 ， 一 端 做 一 個 圈 圈 ， 如 圖 五 的 (A)。鐵 線 的 另 一端 穿 過 喝 飲 料 用 的 吸 管 ， 如 圖 五(B)， 就 完 成 了 一 個 「 救 生 員 」。 使 用 救 生 員 來 拯 救 沉 在 瓶 底 的 浮 沉 子 的 方 法 如 下 ： 先 將 圈 圈 彎 一 彎 ， 使 圈 圈 與 吸 管 成 直 角 以 便 容 易 從 上 套 住 溺 水 沉 在 瓶 底 而 直 立 的 浮 沉 子 （ 圖 六 的 A）。 圈 套 了 浮 沉 子 後 ， 一 手 的 大 拇 指 與 食 指 抓 住 吸 管 的 頂 端 ， 另 一 手 的 大 拇 指 與 食 指 拉 緊 鐵 線 的 另 一 端 （ 請 見 圖 六 C 的 左 右 手指 架 勢 ）， 使 圈 圈 套 緊 浮 沉 子，如 圖 五 的(C)，如 此 就可 以 將 沉 溺 的 浮 沉 子 勾 上 來(圖 六 的 B)。 小 學 生 不 易 操 作 救 生 的 動 作 ， 圈 套 了 浮 沉 子 後 常 忘 記 要 用 手 指 握 住 吸 管 ， 才 能 用 另 一 手 拉 緊 鐵 線 的 另 一 端 ， 如 此 才 能 束 緊 浮 沉 子 ， 以 避 免 往 上 提 時 浮 沉 子 脫 落 。 (五 ) 用 筆 套 與 油 黏 土 做 的 浮 沉 子 為 什 麼 沉 不 下 去 ？ 筆 套 內 要 放 入 一 點 水 ， 而 封 住 筆 套 口 的 油 黏 土 要 有 一 個 小 孔 ， 以 便 水 進 出 ， 並 且 一 定 要 先 在 杯 子 ， 試 試 浮 沉 子 的 浮 力 ， 浮 沉 子 只 能 浮 出 水 面 一 點 點 ， 浮 出 太 多 表 示 浮 沉 子 的 密 度 太 小 ， 浮 沉 子 太 輕 即 使 壓 了 寶 特 瓶 ， 浮 沉 子 也 沉 不 下 去 。

(A) 細 鐵 絲 的 一 段 ， 做 一 個 圈 圈 PVC 內 包 鐵 絲 或 漆 包 銅 線 (B) 鐵 絲 穿 過 喝飲 料 用 的 吸 管 圖 五 、 救 沉 在 瓶 底 的 浮 沉 子 示 意 圖 (A) 圈 套 沉 溺 的浮 沉 子 (B) 束 緊 浮 沉子 圖 六 、 用 「 救 生 員 」 救 溺 水 的 浮 沉 子 的 分 解 動 作 (C) 手 指 抓 住 吸 管 的 頂 端 ， 另 一 手 的 手 指 拉 緊 鐵 絲 以 束 緊 浮 沉 子 喝 飲 料 用 吸 管 拉 緊 圈 圈 套 住 浮 沉 子 (C) 救 出 浮 子 沉 子 ， 注 意 左 手 指 握 住 吸 管 ， 右 手 指 拉 緊

(六 ) 浮 沉 子 能 不 能 做 出 娃 娃 ？ 可 以 。 在 遠 哲 科 學 趣 味 競 賽 的 活 動 三 ， 創 意 競 賽 裡 有 多 位 高 中 女 生 的 作 品 ， 不 僅 做 出 了 可 愛 的 娃 娃 ， 甚 至 可 在 瓶 內 跳 圓 舞 曲 ， 將 在 下 集 浮 沉 子 的 轉 動 時 介 紹 。 不 過 教 師 可 在 塑 膠 片 上 繪 圖 ， 用 不 溶 於 水 的 黏 膠 ， 將 其 黏 在 浮 沉 子 上 ， 但 要 記 得 放 入 寶 特 瓶 之 前 ， 必 須 先 在 杯 子 內 調 整 浮 沉 子 的 重 量 與 其 浮 力 ， 在 杯 子 裡 試 了 浮 沉 ， 絕 對 沒 有 問 題 的 ， 才 可 放 入 寶 特 瓶 內 。 較 簡 易 的 方 式 是 圖 二 的(C)，用 另 一支 迴 紋 針 夾塑 膠 圖 片 後 掛 在 原 來 的 迴 紋 針 上 。 在 參 考 資 料 1 介 紹 了 以 釣 魚 用 的 「 浮 重 」(台 語 )與 銅 線 做 了 可 愛 的 浮 沉 娃 娃 ， 而 在 參 考 資 料 6 更 介 紹 了 可 以 發 光 的 浮 沉 娃 娃 。 (七 ) 其 他 的 操 作 方 式 建 議 教 師 依 圖 三 的 方 式 ， 事 先 製 作 好 吸 管 浮 沉 子 並 編 號1~7 號，先給 學 生 1~4 號 ， 調 整 成功 ， 能 使 浮沉 子 依 序 沉 浮 的 學 生 ， 再 給 浮 沉 子5 與 6 號再 試 ， 成 功 的 學 生 再 給 7 號 ， 如 此分 批 給 學 生 造 成 學 生 彼 此 間 的 觀 摩 學 習 與 競 爭 ， 使 得 活 動High 起 來，最 後 的 要 求是 一 定 要 按 號 碼1~7 的 次序 一 個 一 個分 別 下 沉 ， 然 後 又 依 序 7~1， 一 個 一 個浮 上 來 。 這 是 有 一 點 難 度 的 ， 在 操 作 時 要 思 考 浮 沉 子 的 比 重 問 題 ， 調 整 浮 沉 子 內 的 水 量 ， 要 細 心 ， 一 滴 一 滴 地 調 ， 甚 至 要 調 整 的 只 有 半 滴 水 的 量 。 每 次 增 重 與 減 重 ， 過 與 不 及 都 不 能 解 決 問 題 ， 希 望 學 生 能 從 中 理 解 彼 此 協 調 的 重 要 性 。 另 外 ， 如 何 能 控 制 減 重 或 增 重(進 水 )半 滴 水 ？ 是 一 個 很 有 趣 的 課 題 ， 讓 學 生 發 表 做 法 。 筆 者 之 ㄧ(蕭 )在 博 士 班 招 生 口 試 時 ， 多 次 問 過 這 個 問 題 ， 多 半 的 答 案 是 用 微 量 針 筒 ， 量 好 了 一 定 量 的 水 打 進 去 ， 這 有 一 點 像 殺 雞 用 牛 刀 ， 多 半 的 學 生 一 緊 張 都 會 認 為 這 是 難 題 ， 而 多 忘 了 浮 沉 子 內 的 空 氣 也 是 物 質 。 凡 是 物 質 都 佔 有 體 積 ， 因 此 浮 沉 子 內 的 空 氣 不 出 來 ， 水 怎 麼 能 進 得 去 ？ 其 實 做 法 很 簡 單 ， 只 要 將 浮 沉 子 沒 入 水 中 後 ， 擠 壓 浮 沉 子 ， 眼 見 多 少 氣 泡 跑 出 來 ， 放 鬆 壓 力 後 就 會 有 多 少 與 氣 泡 相 同 體 積 的 水 被 吸 進 去 。 (八 ) 用 玻 璃 瓶 可 以 嗎 ？ 也 可 以 。 放 有 浮 沉 子 的 玻 璃 瓶 務 必 裝 滿 水 後，瓶 蓋 改 用 軟 木 塞(葡 萄 酒 的 瓶 塞 很 適 用)，只 要壓 下 軟 木 塞浮 沉 子 就 會 沉 下 去(參 考 資 料 7)， 另 外 參 考 資 料 1 與 4， 則 用 注 射筒 與 塑 膠 導管 來 控 制 浮 沉 子 的 沉 與 浮 ， 將 另 篇 介 紹 。 (九 ) 讓 小 學 生 用 火 ， 有 點 擔 心 ， 是 否 有 更 安 全 的 方 法 ？ 市 面 上 有 一 種 小 工 具 ， 以 電 熱 的 方 式 來 密 封 塑 膠 袋 ， 但 要 在 教 室 裡 使 用 ， 另 有 一 種 掌 上 型 的 封 口 機 ， 是 使 用 電 池 加 熱 的 。 其 操 作 方 式 類 似 訂 書 機 訂 針 的 樣 子（ 請 參 見 圖 七 的 A）。使 用 要 有 一 點 技 巧 ， 因 為 喝 飲 料 用 的 吸 管 是 圓 型 的 而 且 管 壁 比 塑 膠 袋 厚 了 許 多 ， 因 此 融 合 了 後 一 鬆 手 ， 吸 管 口 就 自 動 張 開 ， 所 以 取 出 融 合 的 吸 管 口 後 要 用 手 指 壓 住 ， 如 圖 七 的B (不 會 燙手)。 另 外 市面 上 也 可 以

買 得 到 小 滴 管(1mL)， 直 接 用 小 滴 管 與 銅 釘 就 不 需 要 用 到 火 焰 了( 下 一 篇 說 明)。 圖 七 、 掌 上 型 封 口 機 封 住 吸 管 口 圖 七(A)、 吸 管 放 在 電 熱 絲 上 後 ， 兩 手 指 輕 壓 封 口 機 圖 七(B)、 抽 出 吸 管 後 ， 趁 熱 用 兩 指 頭 壓 緊 管 口 圖 七(C)、 封 住 管 口 的 成 果 ， 左 手 拿 封 口 機 (十 ) 本 篇 的 創 意 簡 易 浮 沉 子 的 作 法 雖 然 很 多 ， 但 都 有 其 缺 點 ， 例 如 不 易 調 整 其 密 度 。 本 篇 在 浮 沉 子 的 製 作 中 所 提 出 的 「3.用 熱 封 住 吸 管 」 的 做 法 是 筆 者 的 創 作 ， 其 優 點 在 於 可 製 作 幾 乎 相 同 的 浮 沉 子 ， 使 其 易 於 調 整 浮 沉 子 的 重 量 。 本 篇 的 另 一 創 作 是 「 救 生 員 」 的 製 作 與 其 使 用 ， 使 沉 在 瓶 底 的 浮 沉 子 易 於 被 勾 吊 上 來 。

二、參考資料

1. 蕭 次 融 ，「 浮 沉 的 玩 偶 與 浮 體 的 比 重 」， 科 學 教 育 月 刊 ，132 期 ， 35 頁 (1990)。

2. Richard Frazier，＂A PHILOSOPHICAL TOY，”http://www.ed.uiuc.edu/courses/ Cl.../resources/philoToy/philoToy.html (1996)。 3. 大 木 道 則 等 ，「 試 一 試 製 作 浮 沉 子 」， 理 科 Ⅰ 分 野 上( 文 部 省 審 訂 中 學 教 科 書)，啟 林 館 ， 大阪(1990)。 4. 藤 岡 由 夫 等 ，「 浮 沉 子 」， 在 「 物 理 實 驗 事 典 」，49 頁，講 談 社，東 京(1973)。 5. 蕭 次 融 等 ，「 浮 沉 玩 偶 」， 在 「 動 手 玩 科 學 」，4 頁 ， 遠哲 科 學 教 育基 金 會 ， 台 北(1999)。 6. 方 金祥、張 簡 琦麗，「科 玩 DIY－ 發 光 浮 沉 子 」， 科 學 教 育 月 刊 ，258 期 ，49 頁(2003)。 7. 牧 野 賢 治 ，「 在 水 中 上 下 浮 沉 的 滴 管 」，在「 有 趣 的 科 學 實 驗 100」，中 譯 本 ， 世 茂(2000)。