國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

科學遊戲實驗室   回首頁   

浮力蹺蹺板

利用浮力來玩蹺蹺板!

※器材:透明塑膠杯、木條、木塊、黏土、大頭針、電子天平

操作過程與現象

這是與浮力相關的趣味實驗;如圖一,蹺蹺板的二端分別放了裝水的塑膠杯,左邊塑膠杯多加了一些水,因此蹺蹺板的左邊掉下去,右邊翹起來。

問題:可以碰到杯子中的水,但是不可以碰到杯子或蹺蹺板,如何讓蹺蹺板反覆的掉下去、翹起來呢?

解答:將手直接插入右邊的杯子中(手不要碰到杯子任何部位),再提起來,蹺蹺板就會又下又上的運動了(如圖二、圖三)。除了用手插入手中,也可以使用木塊(如圖四、圖五),木塊插入右邊的杯子中(木塊上插了大頭針),當木塊浸入杯子中某個深度時,蹺蹺板的右邊就會往下降,將木塊拿出杯子,則又會翹起來。手或木塊並沒有碰到杯子,為什麼蹺蹺板會上升、下降呢?

 

觀看實驗影片(10.2M)

原理

首先以電子天平進行測量,塑膠杯水加木塊的質量是134.46克(圖六),然後拿出木塊插在大頭針上,再完全浸入水中,結果天平顯示的總質量增加為137.53克(圖七),增加了3.07克。因為重量增加了,所以往下降而使另一邊翹起來。

 

為什麼木塊(或手)浸入水中之後重量會增加?圖六的134.46克是杯水加木塊的質量,此時木塊是浮在水面上。當木塊全部浸入水中,手必須施力於木塊,以克服水對於木塊的浮力,因此圖七的重量增加了3.07克重。換言之,為了將木塊原本浮在水面上的體積也壓進水中,手必須往下施力(施力大小為3.07克重),因此總重量增加了。

延伸問題:圖八是杯水加入一塊黏土,黏土的密度大於水,所以沉入水中,而總質量是146.04克。將大頭針插入黏土提起來,但是沒有離開水面(如圖九),結果總質量減少為139.80克,減少了6.24克,為什麼呢?

由於黏土一直保持在水中,因此黏土受到的浮力並沒有改變(浮力為「黏土體積所排開的水的重量」),圖九的質量會減少是因為將黏土往上提,手的施力方向是往上的因素,施力大小即為6.24克重。

 

叮嚀的話

1.進行本實驗時,建議使用透明杯子,以利觀察。而木塊儘量使用寬厚的,避免使用長條型的木塊,以免浸入水中時碰到杯底。

2.本實驗的浮力與作用力概念適合國中以上,在教學上可以指導學生討論與估算以下問題:(1)進行圖六、圖七的實驗,試估算木塊浮出水面上的體積為何?(2)圖六、圖七的實驗中,如果不含木塊,杯水的質量是128.00克,則木塊的密度為何?(3)在圖八、圖九的實驗,如果只能使用天平,不能使用其他的測量工具(例如量筒),要如何估算黏土的密度呢?(註:水的密度皆假設為1)

解答:

(1)因為將「木塊浮出水面上的體積」都壓進水中,所需的浮力=3.07克重,此為同體積的水的重量,因此木塊浮出水面上的體積=3.07毫升。

(2)將木塊完全插入時(圖七)水給予木塊的浮力=137.53 - 128.009.53克重

此為木塊體積所排開的水的質量,因此木塊體積為9.53毫升

而木塊質量為134.46 – 128.006.46克,因此木塊密度= 6.469.530.68/毫升

(3)黏土+杯水的質量=146.04克(圖八);杯水的質量=128.00

因此黏土的質量=146.04 – 128.0018.04

而圖九的139.80克重=杯水的質量(128.00克)+浮力

浮力=139.80 – 128.0011.80克重=黏土體積所排開的水的重量,因此黏土的體積為11.80毫升

黏土的密度= 18.0411.801.53/毫升

參考資料

1.國立台灣師範大學物理系:http://www.phy.ntnu.edu.tw/java/buoyantForce/

2.物理教學示範實驗教室:http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/html.php?html=index

3.學習加油站:http://content.edu.tw/junior/phy_chem/pd_kc/tag.1.6.4.html