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序言

海鸥在大海上上下起伏的飞翔。 冲浪者乘着海浪(波)到达岸边。 当你漂浮在湖上时水波经过,你也会随之上下起伏。 也有碎片如浮木等,被波浪携卷波动。 水波是如此的迷人——他们有各样的尺寸, 从一个微小的波纹到10米之高的波浪。 是的,你见过他们,但你是否知道他们是被什么驱动着,他们又是如何移动着海洋?

这次你会将海洋带回家,在瓶子里制造波纹。 你也要努力观察,找出为什么一些波比较慢,一些波比较快。

第 1 段(可获 1.66 积分)

背景

风是大部分海浪产生的原因。 它使得静水层之上的水面产生堆叠。 波嵴 (或波峰)处的水得到额外的水产生向下的推力。 额外的重量把波峰之下的水推向两旁。 被推开的水存在冲力,在新的地方会产生新的波峰, 因此波会逐步移动。

海洋存在于空气和大气之下。 而空气比水轻得多(相同体积的空气约为相同体积水重量的1/1000), 看起来空气对波浪的影响并不大。 所以为了了解波浪是如何工作的, 你会在水上加一层油。 是否很好奇,这和空气有何关系,它又是如何影响水波的。 来来来卷起你的袖子,尝试下这个有趣的科学活动吧!

第 2 段(可获 2.09 积分)

材料

  • 两个相同的,干净的,透明的带帽瓶子(两公升苏打瓶就可以)
  • 植物油,足以装满瓶子的三分之二。
  • 实用色素(蓝色最好)
  • 毛巾
  • 笔和纸
  • 工作区和覆盖材料(如旧毛巾),确保溢出的油和水可以很容易地清理干净
  • 漏斗,可以更容易将液体装入瓶内(可选)
  • 两块蜡(从一根蜡烛上切下的两小片即可。 请在成年人帮助下切片。)(可选)

准备

  • 在你的工作区放一条毛巾(或其他保护层)。
  • 两个瓶子均装满约三分之一的水。 一个漏斗可以帮助你把水倒进瓶子里。 添加几滴食用色素。
  • 关闭一个瓶子,并把它放在一边。
  • 用植物油小心地填满另一个瓶子。再次,漏斗可以防止泄漏哦。
  • 盖上瓶子,并把它放在一边。
  • 检查两个盖子都已拧紧。
  • 将准备好的瓶子小心地移动到要观察的地方。
  • 将瓶子在两侧放好,直到你准备好观察。
  • 你能在装着水和油的瓶子里看到什么? 水浮在油面上, 油浮在水面上还是两种液体混合在一起? 你认为哪一个更重, 油还是水?
  • 你觉得只装着彩色的水的瓶子里,水面之上是什么? 那里是否有什么,还是只是空间?
第 3 段(可获 3.25 积分)

实验步骤

  • 从仅有水的瓶子开始。 将这个瓶子水平拿住,举起一端形成一个波浪。 一旦波浪开始,将瓶子放到水平位置,并观察波浪。
  • 对含油和水的瓶子重复相同步骤。 你注意到产生波浪的不同了吗? 一个瓶子里的波浪是否移动比在另一个更快? 是否更高?
  • 为了更容易比较,对波到瓶盖或瓶底反弹过程进行计数。 从只含水的瓶子开始。 瓶子保持水平,举起一端制造波浪。 将瓶子放回水平位置,在波到达瓶子的另一边的过程中持续计数。
  • 将每一次波到达瓶盖或瓶底过程中的数字相加,直到波纹消失。
  • 在另一个瓶子中重复当前步骤。 你注意到不同了吗?是不是一个瓶子要比另一个瓶子数得更慢? 这意味着什么?为什么会这样? 下面的附加实验可能会给你一个线索。
  • :打开瓶子,把一小片蜡放在两个瓶子里,然后再盖上瓶子。 因为蜡比油密度大,但比水小,它会浮在水上,但浸在油中。 你可能需要等待一段时间使得蜡从油中沉入,直到它到达水面和油面的临界。假设腊是海鸥、船只或者冲浪者在水面之上。像之前所做的一样创造一个波,但这次我们观察腊是怎么运动的。它会来回移动、或者上下波动么?你是否能解释这个现象?
  • : 如果你有一个秒表,可以对波的周期进行测量。波的周期是指一个波从波峰降到波谷再返回波峰所用的时间。回顾之前的现象,你觉得顶部是空气和顶部是油的水波周期是否相同?利用你的秒表得到物体腊从波峰开始到谷底再到波峰所用的时间。这个时间就是波的周期。顶部是空气和顶部是油的水波的周期是否相同?
  • :波的频率是指在一秒内通过的波的个数。回顾之前所有现象,你认为顶部是空气和顶部是油的水波频率是否相同?你是否能够找到一种方法来测量或计算你创造波的频率?
第 4 段(可获 6.19 积分)

观测结果

你是否注意到水面上有油的水波会产生慢波?

波的移动是由于波峰处存在额外的重量,推动水从波峰处流向波谷处。这发生在整个瓶子里。

对于装有水和空气的瓶子,水和空气同时推动更深层的水。空气的密度约为水的千分之一,因此当波浪经过时,更深层的水主要受到的重量来自于堆积起来的水。 波峰和波谷(最低点)之间的重量差异是波的驱动力。在这个场景中,重量的巨大差别产生了快速移动的波。

第 5 段(可获 1.68 积分)

同样的,对于装着水和油的瓶子,水和油同时推动更深层的水。和空气相同,油的密度小于水(约为水的三分之二),因此同样数量的油比水轻。在波峰处水多油少,而在波谷处水少油多,因此会对整个波进行权衡。在这种场景中,波峰处的液体和在波谷液体的重量差别更小,所以波的驱动力更小,但是它仍然会迫使水从波峰下开始移动。此外,水和比空气重的油都需要被移动,因此相比于水面上是空气的情况,此时液体流动更慢。你观察到的只是在水面上的一个波,移动更慢。

第 6 段(可获 2.35 积分)

在附加实验中,你会观察到蜡随着波的前后移动而上下波动。 这是因为波浪之下的水才是波浪平移的驱动力, 而表面的水只是上下波动。

清理

你可以把仅装有带颜色水的瓶子里的水倒入排水管。 但千万不要把油倒入排水管!

把装有水和油的瓶子直立,等待直到水油分离。 选择一个容器或瓶子(如之前装着带颜色水的瓶子)来收集油。 轻轻地将油倒入空的容器或瓶子里。 不必担心有一些水也会倒出来, 尽最大可能倒出油即可。 (同样可以使用漏斗。)你可以把剩下的带颜色水倒入排水管。 把密封的装油的瓶子扔到垃圾桶里, 暂时存放或网上搜索一个可以捐赠你用过的食用油的地方。 (用过的食用油可转化为生物柴油, 它是一种无毒的和可生物降解的燃料,可以给汽车和公共汽车供给动力,并且比以石油为基础的柴油产生更少的空气污染。)

第 7 段(可获 2.6 积分)

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