以溫度差異讓沉浮子自動上升下降！

※器材：塑膠滴管、量筒、燒杯、石油醚、銅線

本網站曾介紹過「沉浮子」，以緊壓與放鬆寶特瓶的方式產生壓力變化，可以控制沉浮子的下沉以及上升，以其原理而言，可稱之為「壓力差」沉浮子。

本實驗則是利用溫度的差異造成下沉與上升，因此稱之為「溫差」沉浮子，製作過程與操作現象如下：

一、製作沉浮子

1.取一塑膠滴管，將滴管的頭部剪下（如圖一）。

2.如圖二，將滴管頭部的缺口以熱熔膠封住，再纏繞一段銅線（或鋁線）。

3.以圖釘或大頭針，插入熱熔膠中鑽一個洞（如圖二紅色箭頭）。

4.如圖三，先將滴管捏扁，再插入水中放開，將水吸入滴管中。

5.反覆上一步驟，直到滴管（沉浮子）放入水中時（如圖四）剛剛好浮起來。如果滴管沉下去，就將水壓出來一些；如果浮太高，就再吸一點水。

二、實驗方法

1.將上述製作好的沉浮子，先壓出約二、三滴水，然後以針筒吸取石油醚約0.5毫升，注入滴管內（如圖五）。

2.將滴管放入裝了常溫水的量筒中，此時滴管應浮在水面上（註：如果滴管沉下去，表示上一步驟注入的石油醚太多，再將滴管的水壓出來一些）。然後如圖六，緩慢將冰水加入量筒中，一次只加少許冰水，當滴管呈現下沉狀態時，就停止加冰水。

3.立即將量筒（與滴管）放入裝了熱水的大燒杯中，如圖七，等待約半分鐘（視溫度差異而定），滴管（沉浮子）就會浮起來了！

4.當沉浮子開始浮起來時，在量筒上方加入一小塊冰塊（如圖八），當沉浮子浮到上面後，就會因為溫度變低而又沉下去。如此來來回回，沉了又浮、浮了又沉，相當有趣喔！目前版主的最高紀錄為沉浮十次（只加冰塊，沒有再加熱水）

觀看實驗影片（16.7M）

無論「壓力差」或「溫差」的沉浮子，都是控制沉浮子內部的水的進與出，以改變浮力大小，達成下沉與上浮的目的。本實驗的溫度差異如圖九，量筒的上方是冰水，下方的燒杯則是熱水。當沉浮子沉到底部受到熱水加熱，滴管中低沸點的石油醚（圖十的藍色部分）產生較多蒸氣，蒸氣壓力增加而將下方的水壓出滴管，使得沉浮子的平均密度小於水，因此上浮。上浮到量筒上方之後，由於溫度較低（有冰塊），石油醚的蒸氣凝結為液體，蒸氣壓降低，因而水再被吸進滴管裡，使得沉浮子的整體密度大於水，因此下沉。如此反覆，沉浮子就會上升又下沉，直到量筒上下的溫度差異縮小到無法提供足夠的熱量變化為止。

1.實驗過程中量筒上方要隨時加入冰塊，請注意：(1)每次只加入一小塊冰塊，以避免太多的冷水下降後（對流現象），使得量筒底部溫度過低，沉浮子就浮不起來了。(2)加冰塊的時機，最好是沉浮子由底部開始浮上來時再加。

2.實驗一開始，沉浮子第一次要浮起來，通常需要等待一些時間（沉浮子吸收熱量需要時間），版主的經驗至少需要半分鐘。但是後續的浮與沉，只要控制得宜，就比較快了。

3.除了加入冰塊，實驗過程也可以將熱水加入燒杯中，以保持量筒底部有足夠的熱量來源。請注意熱水的溫度不要太高，以避免燙傷！

4.建議準備一隻大滴管，在加冰塊（或加熱水）過程，可以將量筒裡的水（或燒杯的水）吸出來，以維持固定的水量與高度。

5.本實驗加入的石油醚，可以改為其他低沸點的油性溶劑，例如汽油、正己烷。請留意這些有機溶劑都是易燃物，而且吸入過多對於人體也有不良影響，因此必須格外注意安全與通風。此外，乙醚也是曾經被建議使用的溶劑之一，但是由於沸點只有35℃，因此並不建議使用乙醚。

6.沉浮子內只有水，不加入油性溶劑，也可以成功的浮沉，但是浮沉的速度與敏感度較差。

7.在教學上可以指導學生實驗與討論以下問題：(1)如果量筒的長度越高，對於實驗結果會有何影響？(2)石油醚可以用丙酮、酒精代替嗎？為什麼？(3)分組競賽：不可以加熱水，比賽哪一組沉浮的次數最多次？(4)比賽完成五次的沉與浮，哪一組花的時間最短？（上升或下沉一半距離，不列入計算）

1.陳偉民（2009）。自動浮沉子。發現月刊，160期。http://www.ytlee.org.tw/DiscoveryMagazineDetail.aspx?Period=160#1

2.蕭次融、余甄紘（2008a）。聽話的浮沉子。科學教育月刊，307，31-35。

3.蕭次融、余甄紘（2008b）。跳號沉浮的浮沉子。科學教育月刊，308，35-39。

4.Mackay, R. S. (1958). Automatic cartesian diver. American Journal of Phyics, 26, 403-404.