圖釘、竹筷在水上追逐的趣味實驗！

※器材：圖釘、竹筷、臉盆、紙杯

本實驗相當簡易有趣，很適合指導小朋友玩，共有三個實驗。首先準備以下物品：

1.用虎頭鉗將竹筷剪成小段（長度約一公分），共約15小段，並用水將竹筷潤濕。

2.準備一盒小圖釘，使用傳統的扁形大頭圖釘，如圖一左。不要使用塑膠頭（圖一中）或頭部太厚重（圖一右）的圖釘。

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實驗一：物以類聚

1.將臉盆裝水，然後將小段已濕潤的竹筷分別放進水中，請注意不要放在同一個位置，儘量讓竹筷分散，如圖二(1)。（註：為了拍攝需要，圖片中的水加了食用色素）

2.接著將圖釘「輕輕的」放到水面，以扁形頭部接觸水面，圖釘會浮在水面喔！陸續放入約十多個圖釘，同樣也是分散在不同位置，如圖二(2)。

3.結果可以發現，竹筷會自動的聚在一起，圖釘也會聚在一起，但是竹筷與圖釘不會聚在一起，如圖二(3)。如果用筷子或玻棒輕輕推一下圖釘，讓圖釘靠近竹筷，結果圖釘和竹筷會互相排斥喔！

實驗二：你來我往

1.以玻璃杯裝水大約九分滿，再放入圖釘和已濕潤的竹筷，如圖三(1)。結果竹筷會貼在杯緣，而圖釘則是遠離杯緣。用筷子（或玻棒）將竹筷推離杯緣，結果竹筷很快又回到杯緣。反之，將圖釘推到杯緣，圖釘馬上就離開杯緣，回到杯子中央。

2.以滴管吸水，滴入杯子中，如圖三(2)，加水一直到水面略微凸起（表面張力使水不會溢出杯子）。

3.結果，竹筷和圖釘你來我往的交換位置了，如圖三(3)，竹筷遠離杯緣，而圖釘則緊貼在杯緣了。

實驗三：反覆無常

1.取新的一次性紙杯，裝水大約八分滿，輕輕將圖釘放在水面上，如圖四(1)。結果圖釘會緊貼在杯緣，和玻璃杯的情形剛好相反。

2.用手指貼著杯緣抹一圈，如圖四(2)，結果原來貼著杯緣的圖釘，很快的離開杯緣了！就算用竹筷將圖釘推到杯緣，如圖四(3)，圖釘還是會遠離杯緣，回到杯子中央。

3.然後再加水，讓水位上升，結果圖釘又回到了杯緣，緊貼著不肯離開。接著再進行上述步驟2，用手指貼著杯緣抹一圈，圖釘又跑離杯緣了。如此反覆進行，圖釘一下喜歡杯緣，一下又遠離杯緣，反覆無常。

本實驗是日常生活常見的現象，原理包含了表面張力、浮力、吸附力等等，以下的解釋主要依據Vella & Mahadevan（2005）以及Singh & Joseoh（2005）的文獻。

首先說明圖釘與竹筷浮在水面的差異。圖釘密度大於水，如果直接丟入水中，圖釘會沉到水底。如果輕輕的將圖釘頭部接觸水面後再放開，由於水面提供了表面張力，圖釘就可以浮在水面上。而竹筷的密度小於水，浮力就可以使竹筷浮在水面上。參見圖五，由圖五可看出，浮在水面的圖釘與竹筷最大的差異是：圖釘使得水面凹陷（因為重力），而竹筷的水面則是凸起的（因為浮力），換言之，圖釘傾向於保持在比水面低的位置，而竹筷傾向於保持在水面較高的位置！依此概念，三個實驗的原理，分別說明如后。

實驗一

將竹筷和圖釘放在水面，會分別聚在一起的現象，被稱為「喜瑞爾效應（cheerios effect）」，cheerios 原意為「麥片」，因為這個現象源於西方早餐常以麥片加入牛奶中，結果麥片經常會自動聚在一起或是靠到邊緣，因此稱為cheerios effect。

實驗一的竹筷和圖釘不會全部聚在一起，而是分別聚在一起，原因說明如下：

1.圖釘與圖釘之間接近時，如圖六上，圖釘之間的液面低於兩邊的液面（見圖黑色箭頭），上述圖五已經說明水面的圖釘傾向於往低處運動，因此二個圖釘會往較低的中央靠近而聚攏。

2.竹筷互相接近時，如圖六下，竹筷之間的液面高於兩邊的液面，圖五已說明竹筷傾向於往高處運動，因此二個竹筷往較高的中央移動而吸引在一起。

3.竹筷與圖釘為什麼互相排斥？如圖七，當圖釘靠近竹筷時，圖釘的液面為最低，竹筷傾向於停留在液面最高處，因此會遠離液面較低的圖釘。反之，圖釘傾向於停留在液面低處，因此會遠離液面較高的竹筷。

實驗二

玻璃杯裝水時，水和玻璃的吸附力強，因此水會沿著杯緣爬升，成為「彎月形（meniscus）」，亦即杯緣的水位比較高。如圖八(1)，因此竹筷會貼在杯緣，而圖釘則會遠離杯緣，停留在比較低的液面中央。

玻璃杯一直加水，加到快要溢出杯子時，由於表面張力的作用，液面會凸起來，如圖八(2)，此時杯子中央的水位最高，因此竹筷「上升」到杯子中央，而圖釘則往低處的杯緣「滑落」。最後竹筷就停留在杯子中央，而圖釘則緊貼在杯緣，如圖八(3)。

實驗三

玻璃杯換成一次性的紙杯時，由於紙杯在生產過程中表面塗了食用臘，而食用臘為疏水性，降低了水的吸附力，水無法沿著杯緣爬升，因此杯緣的水位比較低，如圖九，於是竹筷遠離了低水位的杯緣，而圖釘則靠近杯緣。

當我們用手指抹掉杯緣的食用臘之後，水就可以吸附在杯緣，使得杯緣的水位上升，如圖十，這時竹筷就會靠近高水位的杯緣，而圖釘則遠離杯緣了。

接著再加水，水位上升到含蠟的杯壁時，又成為圖九的狀態，圖釘與竹筷的位置互相調換了。用手指再抹一下杯壁，又回到圖十，如此反覆的使圖釘、竹筷一直互換位置。

1.進行實驗時竹筷都要先潤濕，是因為一次性竹筷在製造過程經常添加漂白劑或防腐劑等等（例如以硫磺或雙氧水漂白），使得竹筷表面具有一些疏水性，而影響實驗的效果，因此要先用水潤濕，以恢復竹筷的親水性。

2.實驗二、三使用的玻璃杯與紙杯，要避免使用太大的杯子，杯口的直徑建議約5～7公分。杯子太大，圖釘、竹筷和杯緣的距離增加，運動現象的明顯性會降低。

3.實驗三使用的一次性紙杯，注意要使用裝冷飲的紙杯（冷飲杯），不能使用耐高溫的紙杯（熱飲杯）。因為熱飲杯的表面有特殊薄膜，不容易抹掉。註：冷飲杯表面塗蠟是為了減少紙杯吸水而變軟。

4.本實驗的操作相當簡易，國小低年級學生就可以完成實驗。在教學上可以進行以下實驗與討論：(1)將竹筷換成麵包屑、薯片、塑膠串珠或乒乓球等等，實驗結果有何差異？(2)將手插入水中，靠近圖釘或竹筷，會吸引還是排斥？為什麼呢？(3)將玻璃杯的杯壁用蠟燭抹一抹塗上蠟，實驗結果為何？和紙杯一樣嗎？(4)將金屬瓶蓋、塑膠瓶蓋放在水面上，他們會互相吸引還是排斥？為什麼呢？如果再加少量黏土到瓶蓋中（不要加太多，避免瓶蓋沉下去），結果有差別嗎？

1.高頌凱（2006）。利用浮沈子測量液體表面張力並演示"Cheerios effect"。臺灣二O O 六年國際科學展覽會（物理科）。

2.跟著鄭大師玩科學。親子活動（四十八）喜瑞爾效應遊戲。http://www.masters.tw/141161/%E8%A6%AA%E5%AD%90%E6%B4%BB%E5%8B%9548

3.科學人-微文庫。咖啡杯裡的泡沫為什麼總喜歡黏在一起？ https://weiwenku.net/d/104151739

4. 食品生活網-台灣食品科學技術學會。紙杯、紙餐盒不會有塑化劑嗎？http://www.food.org.tw/TW/QADetail.aspx?PI=T6877gRzp9I=&QAID=3NMa2uX8scA=

5.Kralchevsky, P. A., & Nagayama, K. (2000). Capillary interactions between particles bound to interfaces, liquid films and biomembranes. Advances in Colloid and Interface Science, 85, 145-192.

6.Singh, P., & Joseoh, D. D. (2005). Fluid dynamics of floating particles. Journal of Fluid Mechanics, 530, 331-80.

7.Technology & science - Science – LiveScience. NBC News Scientists explain the ‘Cheerio Effect’. http://www.nbcnews.com/id/9425907/#.WkICGlWWaUk

8.Vella, D., & Mahadevan, L. (2005). The Cheerios effect. American Journal of Physics, 73(9), 817–825.