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第4章 力学小实验(1)

气泡运动

操作难度:★

实验方法:

取透明玻璃瓶一只,装入一些自来水,拿在手上一摇晃,产生的气泡纷纷上浮。你仔细观察,会发现大气泡上升得快,小气泡上升得慢,有些极小的气泡要过很久才能浮到水面。这是因为气泡越大,它所受到的水的浮力也越大,所以大气泡自然上升得快。

在一段玻璃管中装入水,摇晃使水中产生气泡,你会发现小气泡比大气泡上升得快。这又是什么原因呢?

知识延伸:

原来由于管子细小,小气泡上升时反而阻碍了水的流动,水流动慢,大气泡的上升也就变得很难了。

“关”住水泡

操作难度:★

实验方法:

找一个废旧热水瓶铝盖(罐头瓶盖也可),在底部中心打一个直径3~4毫米的孔。放入脸盆的水中灌满水,然后将瓶盖慢慢垂直提起,提到约100毫米高时,从小孔中流出的水柱开始在水中激起水泡。马上把铝盖放低一些,这时奇妙的现象就产生了:刚才被水柱激起的一些水泡被“关”在水中升不上来了,而且还不向周围扩散。

知识延伸:

气泡不上来的原因,是水的冲击抵消了水泡的浮力。那么水泡为什么不会被水冲散呢?这是因为水柱冲入水中是有速度的,根据流体速度大、压强就小的道理,周围静水的压强比水柱底下压强大,这就把水泡限制在水柱底下了。

水面绘画

操作难度:★★

实验方法:

利用水面的浮力可以画出“抽象派”画面。下面我们来做这个实验。本实验需要的材料和工具有:水盆、清水、浓墨汁、毛笔、小木棍、白纸。

制作方法如下:将水盆盛满清水,平放在桌上,用毛笔蘸浓墨汁滴在水面上,用小木棍将墨滴推开,让墨滴散乱成不规则的乱云形花纹,取一张白纸平放在水面上,再轻轻提出纸张,水面上的花纹画面就会翻印到纸上,晾干印好的纸张,再精心剪裁一下四边,就能出现类似山脉、云层等“抽象”的画面。

知识延伸:

之所以如此,是因为水面平时总会有一层肉眼看不到的表面油脂,它可以把墨迹托起来,形成水平面印刷版,如果用油漆倒在水面上搅拌还可以在木板上印出假大理石花纹来。

“盒”爆炸

操作难度:★★

实验方法:

在水杯里放入一个小纸盒(包),会噼噼啪啪炸出很多水花来。下面我们来做一下这个实验。

本实验所需材料和工具有:跳跳糖、薄纸、玻璃杯、清水。

制作方法如下:准备一包“跳跳糖”,用薄纸一小块,在铅笔上卷一个小纸筒,不用糨糊粘,将底边多出的部分向内折叠压紧,把纸筒从铅笔杆上拔下来,作成一个圆筒形无盖有底的小纸盒,把跳跳糖的颗粒倒入纸盒里,将上口收拢捏一下,不必捏得太紧。倒一杯清水,最好用无条纹的平面玻璃杯。将装有跳跳糖的小盆投入水中,用铅笔压一下让它下沉,当水渗透到薄纸包里接触了跳跳糖就会发生“爆炸”,水花四溅并发出噼噼啪啪的小声响,看上去非常有趣。

知识延伸:

跳跳糖着水后会有强大的吸水性,在吸水过程中自身迅速分裂,好像跳起来一样,用纸包住它,再让它渗透水分,就控制了吸水过程,加大它的爆发力量,以它的跳动力量再去冲击水,便会产生水花溅起的现象。

潜水人

操作难度:★★

实验方法:

潜水人是穿了水下防护用具在水下作业的人员,这里制作的小玩具能在我们手的控制下在深水中自由沉浮。

本实验所需材料和工具包括:旧的玻璃眼药瓶、及时贴彩纸或不干胶透明胶条、深的直口标本瓶、水。

制作方法如下:向直口标本瓶中倒入清水,使水面距瓶口约6厘米。取小眼药瓶,用手指堵住下出水口,向瓶内倒满清水,把挤眼药的胶皮帽扣紧,这时药瓶内的水不会从下口流出来。把这个眼药瓶放在标本瓶内,它自然会下沉到底,用手按眼药瓶上的胶皮帽使瓶内的水从下口滴出,水滴出去以后瓶的上部就会出现小的气室,气室越大浮力越大,不断挤出水,不断放在标本瓶里试浮沉,当小瓶内的气室大小,刚刚能使小瓶垂直浮在水平面上,就是调试完成了。

这时如果用手掌按住标本瓶口,用力向下一压,小眼药瓶便会缓缓下沉,再加压力它会直沉到底,如果把手掌稍微松一点力,小眼药瓶又会从水底上升,小瓶在水中上下浮沉很像潜水人在水下工作。试验成功以后,用彩色及时贴纸(即不干胶彩纸)为小眼药瓶美化装饰,使它变成个潜水人形,如果没有及时贴纸,可用白纸包粘画成人形,再用透明胶纸包粘,起到防水作用也可以。做成人形的眼药瓶在水中沉浮,会更好玩更好看些。

知识延伸:

在正常环境中,大气的压力是一致的,眼药瓶内的小气室内的空气是在正常情况下留出的,它的气压和正常环境中气压一样。

把它放在水里它能沉下去,说明瓶中水的重量与气室气体的浮力均等。当用手掌按压大标本瓶口时,大瓶内水平面上的气室气压产生了变化,将比正常大气压力增高许多,可这时眼药瓶里面小气室还是正常大气压,它便托不住瓶水的重量,就自动沉下去,当减弱大瓶气室的压力时它还会从水底向上升。

液体的比重

操作难度:★★

实验方法:

向瓶中倒入少许油和水,其量相同。用软木塞盖好瓶子,用力猛烈摇晃。

看起来水和油好像混合在一起了,但是,一放下瓶子,二者又分离开来,油不久就会浮在水面上。不管你在摇晃瓶子时用力多猛,你也绝不可能使它们溶合在一起。

试一下将其他一些液体混在一起会产生什么情况。假如它们的颜色相似,则用墨水掺放在中间以便区别。只要小心从事实验,完全有可能使瓶内充满各层颜色不同的液体。装瓶时让重质液体,如甘油,先进入瓶中。

知识延伸:

不同的液体有不同的比重,不同比重的液体是很难将其混合在一块儿的。一般说,重的液体总在下面,轻的液体总在上面,上面的实验就证实了这个规律。

铅笔比重计

操作难度:★★

实验方法:

如果能做一个简易比重计,使你在做实验时能准确区分各种比重的溶液,那该多好!

找一支橡皮头铅笔,把图钉按入橡皮头的正中,浸入水里,在铅笔静止的位置刻一道线,作为水的比重的标记。在这以下的位置,刻上间隔相等的细线,分别标上0、1、2、3……这样,一支铅笔比重计就做好了。把这支铅笔比重计浸入盐水,这时候刻度会大于0,盐水越浓,度数越大。

知识延伸:

铅笔比重计是利用液体比重越大浮力也就越大的道理制成的。图钉的作用是为了降低铅笔的重心,使它能够垂直地浮在液体中。

简单的虹吸器

操作难度:★★

实验方法:

这是一个极其简单的实验,但它却具有实际使用价值。在必须从盛有液体的容器中取出液体,特别在有障碍物存在而影响取出液体的情况下,通常可以用得着这一方法。

当你用一根麦秆喝桔子水时,你是在使桔子水克服重力。先吸去麦秆中的所有空气,让外面的空气在桔子水表面往下施加压力,从而帮助桔子水从杯里送到你的嘴里。用一根虹吸管来完成相同的事——吸空一杯水,或者轻而易举地吸空一大桶水。

做虹吸器时,先在一个空杯中装上清水,并将皮管的一头插入杯子中。再将第二个杯子放在皮管的另一头易于到达的低处。在皮管位置较低的一头吸气、吸掉管中的所有空气,管内则充满了水。

从嘴里拿开皮管时要小心,一旦管口离开你的舌头,便用一根手指紧紧地堵住管口,以维持吸力。

将管口放在空瓶中,放开你的手指,这时水便从上面的杯子中往低处的杯中缓缓流去。只要放在高处的管口仍处在水面以下,水就会一直往下流。

知识延伸:

这个简单的虹吸器是利用虹吸原理制成的。虹吸现象是液态分子间引力与位能差所造成的,即利用水柱压力差,使水上升后再流到低处。由于管口水面承受不同的大气压力,水会由压力大的一边流向压力小的一边,直到两边的大气压力相等,容器内的水面变成相同的高度,水就会停止流动,利用虹吸现象很快就可将容器内的水抽出。

气球的重量

操作难度:★★

实验方法:

有一个实验十分有趣,可以引人深入思索。在天平的一端,放着一只灌满压缩空气的瓶子,瓶塞上的开关紧闭着,瓶口上套着一个瘪气球;天平的另一端放砝码,使天平平衡。

然后,打开瓶塞上的开关,压缩空气进入气球,气球胀大。这时,天平上放着砝码的那一端往下沉,说明瓶子和气球变轻了。

这为什么会这样呢?

有人说:“压缩空气从瓶子冲到气球里,给了气球一个向上的力,由于气球和瓶子是相互连着的,所以瓶子也受到向上的力,这就变轻了。”

有人说:“这个说法不对。火箭向下喷气,火箭向上运动。瓶子里的压缩空气向上冲,瓶子应该向下运动,等于给天平的这一端加了一个力,瓶子应该显得重一些才对。”

这两个答案对吗?

这两种说法都没有说到要紧的地方。压缩空气引起气球向上运动,喷气又引起瓶子向下运动,这两边大小相等,方向相反,相互抵消,实际上对天平称重没有任何影响。

应该说,这两种说法都对思考问题产生了干扰,我们排除干扰,再做一次实验。把气球中的空气压挤到瓶子中去,关闭开关,让瘪气球垂在托盘外面,使天平再次平衡。

这时,打开开关,气球又胀了起来,我们可以看到,盛砝码的那头又下沉了,气球和瓶子又变轻了。

那么,到哪里去找答案呢?

知识延伸:

我们分析一下气球胀起来以后发生了什么变化?瓶子、气球、空气这三种东西的重量变了吗?

没有。瓶子和气球的重量不会变,空气的重量也没有减少。唯一有变化的是气球中的空气的体积,空气的体积胀大以后,它的轻重也会有变化。

因为这一连串问题的根子出在压缩空气上。空气被压缩到瓶子里以后,它的重量就不是一瓶空气,而是两三瓶,或者是四五瓶的重量了。这说明,瓶子里的压缩空气受到的空气浮力比较小,而当部分压缩空气进入气球以后,空气的体积增加,浮力也变大了。浮力增大,瓶子、气球和空气的重量就显得轻了一些。

找重心

操作难度:★★

实验方法:

你听说过关于牛顿的故事吗?他坐在花园里,从树上落下一个苹果,打着了他的头。于是,这位伟大的科学家很快就发生疑问:太阳、月亮和其他星星依然在头顶上,看不出有向下落的样子,那么,是什么使得苹果往下落呢?牛顿以发现万有引力而闻名于世,他的理论在现代生活的许多方面都证明是有价值的。

设计师和工程师们为了找出他们所设计的产品的重心,必须要计算许多复杂的数学公式。不过,我们实验中用的是小件物品,比如各式各样的纸板,所以找重心就容易得多。

做第一个实验时,要在薄纸板上用圆规划一个圆。剪下这个圆纸板,将针尖钉在圆规留下的圆心上,你会发现纸板相当平稳。

同样,剪一小块正方形纸板,画出正方形的对角线。两条对角线相交之点便是重心。当你将针尖放到这一中心时,你会发现正方形纸板也非常平稳。

但是,要在一个不规则的纸板上找到重心就稍稍麻烦一些。先用一节钉在墙上的线把纸板的一个角悬吊起来,纸板靠墙稳定后,拿一把尺子在纸板上作吊线的延长线。然后,又悬吊纸板的另一角,等纸板稳定后用尺子再作吊线的延长线。两条延长线的相交点则是不规则纸板的重心。将纸板上的这一点放在针尖上,它也会完全平衡起来。

知识延伸:

一个物体的各部分都要受到重力的作用。从效果上看,我们可以认为各部分受到的重力作用集中于一点,这一点叫做物体的重心。

物体的重心位置质量均匀分布的物体(均匀物体),重心的位置只跟物体的形状有关。有规则形状的物体,它的重心就在几何重心上,例如,均匀细直棒的中心在棒的中点,均匀球体的重心在球心,均匀圆柱的重心在轴线的中点。不规则物体的重心,可以用悬挂法来确定。不过,不规则的物体,它的重心不一定在物体上。

针浮在水上

操作难度:★★

实验方法:

本实验需要的材料:一碗水、针、叉子、液体清洁剂。

实验方法:用一个叉子,小心地把一根针放到水的表面,慢慢地移出叉子,针将会浮在水面上。

知识延伸:

为什么会这样呢?原来是水的表面张力支撑住了针,使之不会沉下。表面张力是水分子形成的内聚性的连接。这种内聚性的连接是由于某一部分的分子被吸引到一起,分子间相互挤压,形成一层薄膜。这层薄膜被称作表面张力,它可以强大得托住原本应该沉下的物体。现在向水里滴一滴清洁剂,针就沉下去了。

清洁剂降低了表面张力,使张力层变弱,针就浮不住了。

喷泉的秘密

操作难度:★★

实验方法:

在两个大烧瓶的橡皮塞上各打2个小孔,把一个长管玻璃漏斗穿过一个孔并接近瓶底(漏斗下接皮管也可以),瓶里盛一些水。把一根尖嘴玻璃管插进另一个盛满水的大烧瓶。两个塞子的另两个小孔各插一短玻璃管,相互用皮管连接,接口处必须密封好,只要往漏斗里灌水,尖嘴玻璃管就喷水。

漏斗内的水漏完时,那边的喷泉也停止。如果把喷口弯一个角度,使喷出的水正好喷入漏斗,喷泉就能持续进行下去。

知识延伸:

原来,漏斗里的水进入烧瓶后,瓶内的空气受压,因为两瓶是相通的,另一瓶的气压也相应增大,于是就把水从尖嘴压出,形成喷泉。

灌不满的漏斗

操作难度:★★

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