核心概念
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物理 -
力 -
重量 -
浮力 -
重力 -
重心
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簡介
是時候該起航了! 即使您不住在湖泊或海洋附近，您也可以在這項科學活動中來體驗航行，就靠自己建造的玩具帆船 ! 但首先，你必須要確保你的船不會翻覆！
準備好接受挑戰了嗎？
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背景
你還記得在小時候在浴缸裡玩玩具船的情景嗎?還是你坐過真正的船呢？因為浮力，讓船可以漂浮。船會被自身的重量（來自重力）往下拉，但同時又被浮力向上推，這時的浮力就等於船身排開的水體積的重量。有些船是用由密度小於水的材料製成，這表示它們的單位體積的質量更小。這些材料很容易保持漂浮。然而，大部分的船隻是由金屬製成，例如鋼，其密度比水大得多。那麼它們是如何漂浮的呢？因為它們是空心的，所以船體內部有很多空的空間，讓整艘船的平均密度（包括金屬和空氣）低於水的密度。
船隻不僅需要漂浮，它們還需要保持直立，避免傾覆或翻轉。要做到這一點，則需要一個低質量的中心(也就是重心)。也就是說，船身的重量要集中在船的底部，而不是頂部。對於帆船來說，這似乎是一個問題，因為帆船的帆很高，一直高高懸在空中。船隻如何在這樣重量集中的情況下保持平衡？答案就是，在船底的另一部分:龍骨，可以達到這個目的。如果你只看過水面以上的帆船，你甚至可能不知道龍骨的存在！龍骨是船下的一個重要部分，形狀像鰭，有兩個用途。它能承載重物，有助於降低船的重心。它還有助於防止船被風吹倒。在這個科學活動中，您將看到龍骨如何幫助防止帆船翻倒，並幫助它直行。
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- 成年人助手
- 三個酒瓶軟木塞
- 兩條橡皮筋
- 牙籤
- 幾支小釘子或螺絲釘
- 製作帆的防水材料，例如珍珠板、烘焙紙或紙牛奶盒
- 鋁箔紙
- 水槽、浴缸或可以裝水的大容器
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實驗準備
把大容器裝滿水。確定水夠深到足以把最長的釘子(或螺絲釘)垂直淹沒。
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步驟
- 排列三個軟木塞（並排，而不是首尾相連）。
- 用兩條橡皮筋將軟木塞固定在一起，形成一個“木筏”。
- 將牙籤插入中間的軟木塞中心，使其筆直向上。這就是船的桅杆（支撐帆的部分）。
- 剪一個6X6見方的防水材料來製作帆。
- 將牙籤穿過帆的兩端，以將其固定。
- 你的第一艘小帆船完成了！把它放進水裡， 觀察一下。
- 對著帆吹一口氣， 看看會怎麼樣?
- 現在我們來把它變成較小的船。拿掉橡皮筋和兩個外側的軟木塞，保持帆的位置，但將它旋轉 90 度。
- 再把這艘較小的船放回水裡， 觀察一下。
- 哦哦！你的小帆船可能會翻倒！這樣不好，我們要修正它。嘗試添加龍骨: 小心地將釘子或螺絲釘入船底(軟木塞下方)， 船帆的相對位置。
- 再把船放回水中。看看這次它能保持直立嗎？
- 如果你的船不能保持直立，請繼續添加釘子或螺絲釘（與第一個保持在同一直線上），直到它可以漂浮而不會翻倒。
- 現在試試看再次對帆吹氣，觀察一下它怎麼動？你的船會直線前進嗎？
- 小帆船的龍骨是由一根或多根釘子組成，但它們並沒有相互連接。剪一塊長方形的鋁箔，緊緊地包裹在釘子/螺絲上， 做成魚鰭狀。
- 把小帆船再次放回水中，然後對帆吹氣。 這次船怎麼動？是直走嗎？
- 延伸實驗 : 試著製作更大的帆並使用免洗筷代替牙籤作為船的桅杆。實驗看看， 龍骨需要多重才能跟更大的帆來平衡船？ 提示：試著將釘子水平連接在龍骨底部來配重。這樣你就不必一直在軟木塞上戳更多的釘子。
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結果與觀察
我們製作的第一艘小帆船可能非常穩定，因為它的底部較寬（由三個軟木塞製成）。然而，當我們移除兩個軟木塞，讓船身變細時，帆船可能會變得不穩定並容易翻覆。這有點像是當我們把雙腳併攏站立，會比起雙腳稍微分開時更難保持平衡。我們在帆船底部添加釘子，就能夠降低船的重心，並讓它更穩定。但是，一一排列的釘子還是不能順利推動水，因為水可以直接在穿過它們中間的縫隙流動，這表示這樣製作的龍骨無法讓小船好好的直行。 這時候，如果我們對帆船吹氣，船可能會被吹歪或打轉。如果我們用鋁箔把釘子包起來，讓龍骨像一個鰭，它就可以很容易地在一個方向上前行，而且在龍骨的垂直方向上提供了很大的阻力。這讓小船更容易向前移動，而不太會向側向移動，就能夠順利直行。這就是為什麼真正的帆船可以又長又瘦，而且還有高高的帆，就是因為船底下的龍骨，可以防止它們翻倒並幫助它們直行！
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安全第一與成人監督
- 請小心按照實驗說明進行操作。
- 每個實驗應有負責監護的成年人協助。
- 儘管在家裡進行科學實驗是令人興奮的學習和實踐科學的方法，但必須注意，有些實驗可能要求參與者採取額外的安全措施，以及／或者會把地方弄得髒亂。
- 成年人應負責或協助處理可能有危險的材料或尖銳物品。
- 在進行實驗前，成年人應檢視實驗內容，並決定學童的年齡是否適合參與該項活動。
