3隻紙船1盆水 拆解浮力奧秘

文章日期:2021年05月25日

【明報專訊】一根小鐵釘尚且會沉入水底,為何載重幾萬噸的貨船,卻可以在茫茫大海中航行而不下沉?什麼形狀的船,擁有最大的載重量呢?探究船的題目,由黃埔宣道小學的學生為我們講解就最好不過,皆因他們校內的英語圖書館正好是以輪船為設計主題,非常適合在那裏做有關船的實驗呢!(註:受訪者因拍攝需要而暫除口罩)

■實驗1:紙船形狀與載重量關係(圖)

◆所需材料:(圖)

.相同重量的膠片數十塊

.3張不同顏色的卡紙

.清水1盆

小貼士:不宜選用太薄、太軟的紙張

◆步驟1:

用3張不同顏色的卡紙,分別摺出尺寸為20×10×1厘米(綠色)、20×5×2厘米(紅色)、10×5×4厘米(藍色)3款形狀及底面積不同、但體積同為200立方厘米的紙船

小貼士:黏合紙船時切口位不要入水,最好用防水的膠紙黏合船邊(圖)

◆步驟2:

把紙船逐一放在水上。然後把膠片一塊接一塊的放在船上,觀察放置多少塊後,紙船才會沉下水中(圖)

小貼士:擺放膠片時不宜偏重於某點,而是要平均、相等的逐塊放置於船上

◆步驟3:

每隻紙船均會重複測試3次,把3次結果加起來除3以取得平均數,使數據更準確

結果 - 紙船盛載膠片的平均數:(圖)

◆解說:底面積愈大 載重量愈高

黃埔宣道小學常識科統籌主任莫銘基解說,實驗證明紙船的底面積對載重量有一定影響,底面積愈大,可以盛載愈多膠片。為什麼呢?

液體有一種特性,稱為表面張力,即是使表面積收縮的力量。水由水分子組成,而水分子之間有一種內聚力,讓它們緊緊連在一起,生動一點來說,就好像有一種力量叫它們的「身體」向內縮,變成最小的表面積。這種力將水的表面拉緊,使其表面好像產生了一層「薄膜」來承托東西。當表面張力大於水面上物體的重量,物體便可以浮在水上。

實驗中,我們用到的立體圖形(紙船)雖然體積相同,但底面積不同。底面積愈大,跟水的接觸面積也愈大,形成更大的表面張力,浮力因而也愈大,讓載重量增加。實驗中的3隻紙船,以綠色船的底面積最大,所以載得最多膠片。

.表面張力示意圖(圖)

■實驗2:為何船浮水面?(圖)

探究過船的載重量後,我們回到基本,認識船浮起的原因。為什麼一塊小小的鐵釘放在水中會向下沉,同樣由鐵製造、體積那麼巨大的輪船卻可以浮起?原來與水的密度有關,密度比水高的東西會沉,反之,密度比水低的就會浮起來。我們可以透過簡單的實驗理解到這個情况。

所需材料(圖)

.步驟1:

在其中1個杯口放置1塊卡片,然後小心倒轉,將兩個杯子杯口疊起來

.步驟2:

慢慢拿開卡片,看看顏色變化

.步驟3:

重複實驗,看看鹽水與清水分別放在上面,會出現什麼分別

.結果1:當鹽水放上面(圖)

- 如果鹽水放在上面,有顏色的鹽水會慢慢流進清水內,變成一杯混合了的顏色水

.結果2:當清水放上面

- 如果清水放在上面,兩杯水的顏色卻不會混合起來

◆解說:密度高於水會沉

鹽水含有鹽分子和水分子,密度比清水高。在這個實驗中,我們發現當密度高的鹽水放在清水上面,鹽水會慢慢向下沉往密度低的清水,即是說,密度低的東西會浮在密度高的東西之上。同樣道理,由於船的形狀可以讓它的船艙充滿空氣,即使它載滿人和貨物,其密度一般都約在0.3克/立方厘米,相反水的密度約為1克/立方厘米(每立方厘米的水重1克),船的密度比水低,所以可以浮起來。

■有片睇,紙船實驗:bit.ly/3tIkbV5

文:顏燕雯

編輯:林曉慧

美術:謝偉豪

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