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Background

In everyday life we observe materials in a solid, liquid or gaseous state. In solids and liquids the particles making up the material are densely packed. They cannot get much closer when pushed together, making the volume of a solid or liquid more or less fixed.

On the other hand, the particles making up a gas spread out and occupy all the space they are given. There is often plenty of opportunity to squeeze these particles together and contain them in a smaller volume—or to give them more space and allow them to occupy a larger one. When confined to a smaller volume, these particles bang into the wall more often, creating more pressure on the walls (known as Boyle's law). When you keep the same confinement but increase the temperature, these particles start moving faster, banging more violently into the walls, again increasing the pressure on the walls (Gay-Lussac's law). When you manage to keep the pressure constant, an increase in temperature (or the more violent collisions) will cause the walls to move outward and the volume to expand (Charles' law).

第 1 段(可获 1.31 积分)

背景

在日常生活中,我们观察到物体有固态、液态或气态。在固体和液体中,组成材料的颗粒是密集排列的。被挤压时,它们不能再靠得更近了,所以固体或者液体的体积,或多或少是个定值。

然而,组成气体的颗粒会扩散开,并且占据任何可用空间。通常有很多机会可以把这些粒子挤在一起,并把它们装入较小体积的容器——或者给予它们更多更大的空间。当局限于一个较小的体积时,这些粒子撞击器壁的几率更大,在器壁上制造了更多的压力(被称为波义耳定律)。当你保持相同的约束却升高温度时,这些粒子开始更快地移动,更加激烈地撞击器壁,再次增加了器壁上的压力(盖吕萨克定律)。当你设法保持压力恒定时,升高温度(或者更猛烈的碰撞),将会使容器壁向外移动,体积增大(查尔斯定律)。

 

第 2 段(可获 2.33 积分)

现在来说说,这些与棉花糖有什么关系呢?这种黏黏的物质中含有空气—也是一种气体—被束缚在一个有弹性的物体中。这种弹性物质使气泡得以随着其中压力的变化而扩张。气体定律能够帮助我们做一个超大的棉花糖吗?试试这个实验你就知道了!

材料

  • 棉花糖(常规尺寸效果最好。如果你用的是窄颈瓶,那你还需要一袋迷你棉花糖。)
  • 真空泵。(厨房的真空泵或红酒抽空泵都可以。)
  • 盖子可以切割的玻璃罐(适合红酒抽空泵尺寸的细颈玻璃瓶,可选)
  • 剪刀(也可以是钉子)成年人使用,用来在玻璃罐盖上戳洞。
  • 微波炉加热板
  • 小刀
  • 微波炉
第 3 段(可获 1.65 积分)

准备工作

  • 当使用带盖的玻璃瓶和酒泵时, 请大人在盖子上开个洞,以使真空泵能够紧紧插在罐子里 。在这一步,你可以用酒泵移除罐子里的空气。(我们发现第一步中用钉子扎个小洞,再用剪刀刀片扎着慢慢旋转以扩大小洞也很好)。
  • 把棉花糖放进玻璃罐中至半满。如果可以,把正常大小的棉花糖放入细颈瓶中。如果放不进去,就换成迷你棉花糖。
  • 盖好玻璃瓶。
  • 如果你一会儿还要使用酒泵,用塞子塞住盖子上的洞;如果你用的是细颈瓶,就塞住瓶颈。 把真空泵放在一边。
第 4 段(可获 1.93 积分)

过程

  • 把棉花糖放在盘子上,把它切成2半。棉花糖是什么样子的?你看得出,棉花糖是一种泡沫,或者是困在某种固体中的气体(本文的情况下是空气)?
  • 空气是一种气体,而且空气充满了罐子或者瓶子里的每个角落, 正如我们刚刚发现的,在棉花糖里也有。空气(或者任何气体)是许多微小粒子的集合,它们会填满任何给予它们的空间。当它们移动时,粒子会撞击约束它们的容器壁,把器壁向外推。如果你将棉花糖周围的空气(或者是可缩小的颗粒)吸走一些,你猜会发生什么?撞击棉花糖的粒子会变少吗?结果棉花糖可能会发生什么?试试看!
  • 请大人帮忙,用真空泵将罐子或者瓶子里的空气吸走一些。你为什么认为,真空泵只将棉花糖周围的空气粒子抽走呢,而不是抽走困在棉花糖里的空气?你能看到棉花糖的变化——如果可以,是怎样的变化?
  • 现在,让一些空气流回到罐子里。你现在看到什么?你能解释为什么会发生这些变化吗?
  • 在接下来的步骤中,你将会调查些不同的东西:如果你把棉花糖放入微波炉加热,会发生什么。你的预测是什么,以及为什么会你这么认为?
  • 在微波炉盘子上放上一颗中等大小的棉花糖。请大人帮忙,把微波炉调到高温,将棉花糖加热20到30秒。在加热的时候,从微波炉窗户中进行观察。你能看到棉花糖的变化——如果可以,是怎样的变化?跟你预想的是一样的吗?
  • 打开微波炉的门,观察棉花糖的冷却过程。 (小心些,不要触碰棉花糖——它是很烫的!)当棉花糖冷却下来时,它会发生什么变化?你想想为什么会是这样的?
  • 补充:你能在厨房找到其他泡沫物质吗,可以在这个活动中替代棉花糖? 或许,巧克力慕斯、酵母面团?当你将它们周围的空气抽走,或者加热它们时,你会期望哪些改变?
  • 补充:下次你烤棉花糖时,更仔细地观察,并详细检查。它是不是每个地方都膨胀,就像它在微波炉里一样,还是只向两侧膨胀?你认为为什么会这样?为什么棉花糖被烤之后会变成褐色,但是在微波炉里加热却还能保持白色,你能找到原因吗?什么可能会导致这种颜色的变化?烤过的棉花糖冷却下来后,会变回白色吗,还是仍然为褐色? 如果你知道物理变化和化学变化的区别,你能判断变成褐色是物理变化,还是化学变化吗?
  • 补充:征求大人的许可,看你是否能给自行车轮胎放气。你观察到什么?从气门芯里,放出的是什么?结果,轮胎发生了什么变化?用自行车打气筒再给轮胎充上气。现在发生了什么?你能发现,真空泵和自行车打气筒是非常不同的,但还是有关系吗?
第 5 段(可获 6.73 积分)

观察和结果

你观察到了棉花糖膨胀、体积变大吗?这就是气体规律,我们下面进行解释。

棉花糖,是将糖水起泡成凝胶做成的,里面困住了许多的空气气泡。凝胶使棉花糖具有弹性。气泡里的空气将粘稠的物质向外推,而棉花糖周围的气体(或者空气)把粘性物质向里推,你从包装袋里拿出的棉花糖就是达到稳定之后的大小。

把棉花糖放进罐子或瓶子里,使用真空泵,可以将棉花糖周围的气体抽走。棉花糖内气泡中的气体会继续向外推,但是棉花糖周围的气体越来越少,不够力量推回去。气泡就会扩大,棉花糖就膨胀起来。当空气流回到罐子或者瓶子里时,棉花糖外层受到的往内推力增大,气泡就不得不屈服,所以它们缩小到原来的大小。这解释了波义耳定律,当压力降低,其他所有变量保持不变时,气体将会膨胀。

第 6 段(可获 2.38 积分)

当用微波炉加热棉花糖时,棉花糖里面的部分水分蒸发,向气泡内增加了气体。此外,有更多力量的热气体朝外推。增加的气体和加热都会使气泡扩大,从而导致棉花糖膨胀。假如知道下面的两个气体定律,这是可以预料到的(请参见下面的“更多探索”来了解更多的背景):道尔顿定律指出,气体——在其它变量没有改变时——在加入更多气体时,体积会变大;查尔斯定律指出,气体——在其它变量没有改变时——温度升高时,体积会变大。

善后工作

如果你使用的是干净的器具,棉花糖还能吃,如果你想吃的话。用肥皂水清洗所有的器具。

 

第 7 段(可获 1.59 积分)

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