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第1章 热学小实验(1)

蒸发降温

操作难度:★

试验方法:

找两个小碟子,第一个碟子里放一汤匙水,第二个碟子里放一汤匙酒精。看看哪种液体蒸发得快。

再做个试验,在左右两只手上分别抹上水和酒精,同时挥动双臂,你感到哪只手较凉快呢?

你会发现酒精比水蒸发得快,当挥动手臂时,两手都感到凉快,但抹酒精的手感到更凉快些。

知识延伸:

为什么会有凉快的感觉呢?这是因为水或酒精蒸发时会从皮肤上吸取热量,使温度下降,所以你会感到凉快。酒精比水蒸发得更快,在同一时间内吸收的热量更多,因而你就觉得更凉快些。

膨胀的冰

操作难度:★

试验方法:

水结冰时,它占据的体积(空间)比它在流动状态时要大一些。做一个简单的实验便能证明这一点。实验在寒冷的冬夜或是用冰箱来进行。

取一个带螺旋盖的空瓶,用水装得满满的,然后旋紧盖子。假如气温在零度以下,睡觉前将它放在门外无遮盖的地方。如果气温高,就只好装在纸盒内,一起放在冰箱中,但是要使瓶子立稳。

瓶中的水变成冰时,情况怎样呢?因为冰比水需要更多空间,而从螺旋盖处找不到出路,于是瓶子便会破裂。

做另一个实验时,用一只塑料杯来代替空瓶子,水一直装到杯口处。将杯子放在冰箱内让水有充足的时间冻结为固体。你会看到冰面比杯口要高得多。

知识延伸:

为什么会出现这种状况呢?这是因为冰的密度比水小,而同样重量的物质,密度小的,体积(所占空间)肯定要大一些了!

连接冰块

操作难度:★

试验方法:

把两块表面平整的冰合在一起,在上面盖一张塑料薄膜,再放上几块砖或其他重物,不一会儿,这两块冰就会牢牢地连接在一起。

如果在这两块接起来的冰下面,再放上一块表面平整的冰,压上更多的重物,再过一会儿,这块冰和上面两块冰又会牢牢地连接在一起。

知识延伸:

这是为什么呢?因为冰受压后溶点会下降,冰块合在一起受压后接触面会融化而出现薄薄一层水,但是这层水很快就会因降温而结冰,把冰块接合在一起。

切不开的冰

操作难度:★

实验方法:

在一根长约20厘米的细金属丝的两端,各缚一支铅笔。拿一块冰,放在一只瓶子或一块木头的顶上,然后用双手拿着铅笔,把金属丝放在冰的中间,再用力向下压,切割冰块。大约一分钟后,金属丝会全部通过冰块。但是冰块仍旧是完整的,好像没有被切割过一样。

知识延伸:

这是为什么呢?原来,金属丝的压力使和它接触的那部分冰融化,这部分冰在融化过程中必须从它周围的冰块中吸收热量。当金属丝通过后,由于周围的冰温度仍旧比较低,所以切割时化成的水又重新结成冰了。

牛奶冰淇淋

操作难度:★

试验方法:

用牛奶和糖做冰淇淋。把它们调和好以后,放入冰箱里冻1~2个小时。实验的结果会怎样呢?

也许你满以为会有一盆松软可口的冰淇淋来款待大家,可是摆在面前的是既不像冰淇淋也不像冰棍的东西,表面是白生生的冰碴,下面的牛奶还没冻好,一点也不像从街上买来的冰淇淋。

尝一尝上面的冰碴,什么味道?是淡的。这正是我们实验要得到的结论。

知识延伸:

为什么上面的冰碴没有甜味呢?原来,水在结冰的时候,有排除“异己”的倾向。结冰的时候,水分子把糖和牛奶排挤出去了。真正的冰淇淋在生产过程中是不断搅拌的,如果你也不断搅拌,同样会做出可口的冰淇淋。当然,很低的温度也是一个条件。

你没去过南极,但是从这个实验中,你能想出南极冰块的味道吗?

海水在结冰的时候,水里面的盐分也会被排挤,向温度高的地方移动。海水的温度高于冰山上的温度,所以在冻结时,冰中的盐分会向海水移动。地球的吸引力也是一个重要的因素,冰块里含的盐在重力的作用下会慢慢地向下移动。所以,南极的冰是淡的。

淡味冰不是一天形成的,而是经年累月,才能慢慢地把其中的盐排出去。一般一年的冰融成水后,就可以供人饮用,几年后的冰就几乎不含什么盐分了。

热水向上升

操作难度:★

试验方法:

在一只牛奶瓶中装冷水,用方形的硬纸板盖上。第二个牛奶瓶中装热水并先在热水中加些墨水。两个瓶子的水都须装满。

小心地把装冷水的瓶子倒转过来,压住放在瓶口的硬纸板,当做一个简单的瓶塞,迅速将它放在装热水的瓶子上。

掌稳瓶子,从中取出硬纸板,注意会出现什么情况。有颜色的热水将上升进入装冷水的瓶子中,而冷水则往下面的瓶里沉。

知识延伸:

有些楼上的住宅有热水供应,而加热水的热源又在楼下,热水是怎样上楼的,你感到奇怪吗?

原因是热水要向上升——这正是工程师们和管道工们所要利用的原理。

水中火山

操作难度:★★

试验方法:

找一个有软木塞的小玻璃瓶,在软木塞上钻两个小孔。取一根细直玻璃管,插入其中的一个小孔,使其下端几乎要碰到瓶底。另取一根带尖嘴的细玻璃管(可用拔掉橡皮球的滴管代替),插入软木塞的另一个小孔,保持尖嘴口竖直向上。将一根长约8厘米的细棉纱线穿过尖嘴口,伸入管内3厘米左右。用点燃的蜡烛的熔蜡将尖嘴口封闭。

往小瓶里倒入温度较高的热水,至接近瓶口止。再往热水中滴4~6滴红墨水,然后塞紧插有玻璃管的软木塞。另取一只大烧杯或大口玻璃瓶,灌满清洁的冷水。把小玻璃瓶小心地放入大烧杯中,然后轻轻地拉掉被熔蜡封在尖嘴口的细棉线,小瓶内红色的热水便从尖嘴口喷出,并向四周扩散,其情景犹如海底火山爆发,雄伟壮观,奇趣盎然。

知识延伸:

为什么会出现这样的情况呢?这是因为小瓶内热水的密度比烧杯中冷水的密度小,因此红色的热水便从尖嘴口喷出,而冷水则从细玻璃管不断地补充到瓶的下部,形成了可持续一段时间的火山喷发奇景。

水滴跳舞

操作难度:★

实验方法:

冬天守在炉子旁边烤火是一件十分惬意的事,炉子上的水壶吱吱地响着,一会儿水开了,水滴掉在灼热的炉盘上,便飞快地跳起舞来,水滴一面旋转着一面跳着,就像是有了生命一样。

这种有趣的现象只有在炉盘烧得很热,有些发红的时候,才可能看到。如果炉盘是温热的,一滴水掉在上面就会迅速地蒸发干,消失的毫无踪迹。

如果你是一个爱动脑筋的人就会立即画上一个大问号,为什么水滴在更热的炉盘上消失得比温热的炉盘上要慢呢?按说炉盘越热,蒸发得越快!

是不是实验做得有误?你可以反复地进行几次,把同一铁盘烧成不同的温度,滴上同样温度的水,你总会看到水滴在烧得很热的炉盘上舞蹈,有时会持续3~4分钟。

知识延伸:

科学家对这种现象也感到十分奇怪,他们用高速摄影机拍摄下水滴舞蹈时的各种姿态,最后发现了水滴跳舞的秘密。

原来,当水滴碰着灼热的铁板的时候,它的下部分立即汽化,于是在水滴和铁板之间形成了一层蒸汽层,使水滴不能直接挨着铁板,铁板的热是通过蒸汽传到水滴上,反倒慢了。通过蒸汽加热,使水滴全部变成水蒸气,要用3~4分钟的时间,在这个期间水滴得到水蒸气的保护,因此能在铁板上跳动,而掉在温热的铁板上的水滴,由于没有蒸汽的保护直接和热铁板接触,反倒蒸发得快,一会儿就消失了。

膨胀的瓶盖

操作难度:★

实验方法:

你曾见过你妈妈在开启罐头盖时多么费劲吗?

我们知道金属是一种比玻璃好得多的热导体。因此,只要想办法加热金属盖,使它膨胀得大于瓶口,你就能够打开瓶盖了。

加热金属盖很容易。将罐头瓶倒转头来放在碗里,再向碗里倒入一些热水就行了。

同样道理,如果你的乒乓球不小心被踩着了,凹进一块,又该怎么办呢?乒乓球的外壳是用赛璐璐制成的。是一种易燃物,比空气的比重大。

你只要将乒乓球放入热水中,用手按住,令凹面朝下,一会儿工夫,乒乓球便会完好如初。

知识延伸:

你知道这是因为什么吗?

原来,乒乓球内的空气受热膨胀,遇到外壳的阻挡,便拼命向外窜,横冲直撞,于是凹进去的一面首当其冲,被推了出来。

气垫“力士”

操作难度:★

实验方法:

找两只上口大、下底小的玻璃杯,叠放在一起。用手稍稍提起上面一只玻璃杯,对着两只杯子之间的缝隙吹气。这时候,上面一只玻璃杯会跃跃欲试跳出杯外,提着玻璃杯的那只手,必须用力握着才行。

如果将一枚曲别针放在两只玻璃杯之间,使它们中间留有缝隙,不用手提着,猛一吹气,上面一只玻璃杯“突”的一下,真会跳出下面的杯子哩!

知识延伸:

这是什么道理呢?要是在晚会上表演,一定会吸引不少人。表演时注意,别让跳出的杯子摔在地上,粉身碎骨。

原来,当你对着两只玻璃杯之间的缝隙吹气时,气一下子放不出来,结果在玻璃杯之间形成一股压缩空气垫层,也就是气垫。持续吹气,气垫层加厚,就会把上面一只杯子给垫起来。如果不用手握着,最后势必被垫出杯外。

简易温度计

操作难度:★★

实验方法:

大多数温度计利用水银来显示温度。我们用水来做一个简单的温度计。

在瓶中倒一杯水,并将瓶子放入盆中。在软木塞上钻一个孔,将玻璃管从中穿过。将软木塞紧紧盖住瓶口,玻璃管的一端应伸入瓶内水面以下。

接着,将热水淋到瓶子上。这样瓶中的水受热而在玻璃管中上升。

再向瓶子倾倒冷水,于是水便在你自制的温度计内往下降落。

知识延伸:

这是怎么回事呢?原来,温度计之所以能测量温度,靠的是流体遇热时膨胀,遇冷时收缩的原理。我们的这个简易温度计利用的就是水遇热膨胀,遇冷收缩的特性。

干湿温度计

操作难度:★

实验方法:

拿两支温度计,用棉花球把其中一支的下端液泡包住,再用水或酒精把棉花球浸湿,过一会儿,你会看到裹湿棉花的温度计显示的温度比另一支低。

知识延伸:

为什么会这样呢?原来,液体会蒸发变成气体,温度降低说明蒸发时从周围吸收了热量,可见蒸发有制冷的作用。你在皮肤上擦一些酒精,会觉得特别凉,就是因为酒精蒸发时带走了那个地方的热量。

热导体

操作难度:★★

实验方法:

我们常常谈到,某些材料是优良的热导体,另一些材料是不良热导体。我们这样说,意思是指前者会很容易地吸收热,并且传导开去,而后者则抵抗热,还竭力将热源禁闭起来。

一支普通蜡烛上的火焰,可以用来为我们做几个简单的实验,目的是看一看不同类型材料的相对导热能力。

首先,将一根玻棒的一端放在蜡烛火焰上烧。不管你在火焰上烧多久,你所握住的那一端不会受到另一端的热影响。这是因为玻璃是极端不良的热导体。

现在用木棒做同样的实验。火焰烧着的那一端会成为木炭,也许在蜡烛火焰上烧不到几秒钟就可能被烧光。而你握住的木棍的那一端仍然是凉的,其原因是木材也是一种不良的热导体。

最后,取一节铅丝,将它的一端放在蜡烛火焰上烧。不过,你须做好准备迅速丢掉这节铅丝,因为在瞬息之间,金属丝会把烛光火焰上的热传导过来烧灼你的指头。

知识延伸:

通过实验证明,玻璃和木材是不良热导体,而金属却是优良的热导体。这时,或许你能回答下面这样一个问题了:为什么平底锅和水壶要带木手柄?

门边的蜡烛

操作难度:★

实验方法:

这里介绍一个简单的实验,目的是让你观察空气怎样对流。

将一间有暖气或生了火炉的房间的门打开十多厘米。在微开着的门的上方举起一支点燃的蜡烛。火焰的方向会表明,有一股气流正从房内流出来。

接着,将蜡烛拿到门开处尽可能低的地方。火焰的闪动方向表明,有一股冷气流正在流入房中。

最后,将蜡烛放到门缝正中再试一下,等你耐心地看到火焰在这些地方的某一点上燃烧稳定时,这就表明此处不存在气流。

知识延伸:

气流是怎么回事呢?原来,在一间有暖气或生了火炉的房间里,热空气总要向上升起,并寻找逃跑的地方。与此同时,冷空气从低处进入房内,以填充由于上升的热空气所造成的低压区。

烧不开的水

操作难度:★

实验方法:

将一只盛水的小烧杯放在盛水的大烧杯中。然后用酒精灯加热大杯里的水,过一会,大杯里的水烧开沸腾了。但奇怪的是,小杯里的水并不沸腾,无论加热多长时间都烧不开。用温度计量一下,大小杯里的水温居然相同,但是小杯里的水为什么不沸腾呢?

知识延伸:

沸腾是液体的一种汽化现象。液体汽化的时候,要吸收热量。大杯子放在火源上,里面的水可以不断得到热量,不断沸腾。

而小杯放在水中,只能从水中得到热量,即大杯中水的温度升高,小杯中水的温度也升高。当大杯中水温升高到100℃时,小杯中水温也升到100℃,但大杯中水温升高到100℃时就沸腾了,它得到的热量都用来汽化了,水温不再升高,这样一来,大小杯之间不再发生热交换,小杯里的水不能再从大杯里吸收热量,就不会沸腾。

烟雾的行踪

操作难度:★

实验方法:

找一个长方形的空纸盒,在侧面开两个圆孔,用硬纸做两个纸筒,把它们插在两个圆孔中。然后把盒子侧放,纸筒向上,把一小段点燃的蜡烛放置在盒内任一纸筒下面,把盒子盖好。

点燃一段蚊香,放在下面有蜡烛的纸筒顶端,烟雾向上冒得更快;把蚊香放在下面没有蜡烛的纸筒上,烟会从另一个纸筒冒出来。多么奇怪的现象啊!

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