关键概念
物理学
液体
固体
尺寸
密度
介绍
你有没有试过把沙子从桶里或麦片从盒子里倒出来，注意到它们似乎像水一样“流动”？这是因为沙子和麦片都是颗粒状物质。这意味着它们由固体颗粒组成，但它们实际上可以像液体一样流动！糖果，如彩虹糖、M&M's、书呆子糖和许多其他糖果也是颗粒状物质。在这个科学活动中，你将研究颗粒状物质的尺寸和形状如何影响它们的流动方式。还有什么比用一些糖果来进行这项研究更好的方法呢！所以准备好把你的万圣节糖果用于一些有益的科学用途吧。
背景
由许多独立小颗粒组成的固体物质（如沙子）称为颗粒状物质，单个颗粒称为颗粒。颗粒状物质的尺寸范围可以从细小的粉末（如糖和面粉）到大型物体（如岩石和巨石）。请注意，“颗粒”一词不仅仅指传统上称为颗粒的东西，如沙子或大米；它可以是颗粒状物质中的任何物体或颗粒。
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为了使颗粒状物质表现得像液体一样，必须有非常非常多的颗粒紧密地聚集在一起。例如，一块巨石从山上滚下来不像液体；但是，在山体滑坡期间，数千块岩石、巨石和泥土颗粒从山上流下来确实表现得像液体。当颗粒状物质像液体一样流动时，这被称为颗粒流。理解颗粒流对于许多将糖果、麦片或药丸等物品装入瓶子或袋子的行业非常重要。在这些工厂中，颗粒状物质通常从称为料斗的大容器中流出，并通过漏斗。为了在每个瓶子或袋子中放入适量的物料，工程师需要知道物料通过漏斗的颗粒流速。
材料
• 透明塑料水瓶，500 毫升（一品脱）
• 剪刀
• 尺子
• 量杯（带嘴的刻度量杯效果最佳。）
• 成人帮手
• 碗，中等到大型尺寸
• 至少三种不同尺寸的糖果，例如书呆子糖、小薄荷糖和 M&M's。您需要每种类型至少一杯。（或者，您可以使用其他类型的小型固体材料。提示：为了获得最佳效果，请尽量只使用表面纹理相似的糖果，并避免使用非常轻的糖果，例如空心或充气糖果）。
• 一张纸和笔或铅笔
• 秒表
• 计算器
准备
• 让成人准备瓶子，使其可以用作漏斗。为此，小心地切掉底部（尽可能靠近末端），并小心地切掉顶部，直到开口尺寸约为 3.3 厘米（1.3 英寸）直径。
步骤
• 量出至少一杯您要测试的最大类型的糖果。您使用的糖果越多，结果就越好。您量出了多少杯糖果？ 将其写在一张纸上。
• 拿起您切好的瓶子并将其倒置。让帮手将漏斗放在碗上方，并用手堵住 1.3 英寸宽的开口（现在应该在底部）。将量好的糖果倒入顶部，并确保底部没有泄漏。
• 准备好秒表，然后让帮手快速移开他们的手并轻轻摇动漏斗。计时所有材料通过漏斗并进入下方碗中的时间。所有糖果离开漏斗需要多长时间？ 将其写在您的纸上。提示：如果材料堵塞了漏斗，请让成人将开口稍微扩大一些，然后重试。还要确保帮手在糖果流动的整个过程中轻轻摇动漏斗。
• 计算糖果的体积流速。为此，将糖果的体积除以完成通过漏斗流动所需的时间。例如，如果您使用了一杯 M&M's，并且花了 2 秒钟流过，则体积流速为每秒 0.5 杯。您的糖果的体积流速是多少？
• 您可能想用同一种糖果多次尝试此过程，以查看结果的准确性。每次测试糖果时，请务必从碗上方大致相同的高度握住漏斗，并以相同的方式摇动漏斗。
• 用另外两种不同尺寸的糖果尝试整个过程。它们的体积流速是多少？
• 总的来说，您是否看到您测试的糖果的体积流速和尺寸之间存在相关性？您认为其他因素，例如表面纹理和形状，可能会影响体积流速吗？
• 额外：在本活动中，您研究了尺寸如何影响体积流速，但其他因素也会影响流速。为了研究这一点，请尝试测试尺寸相同但表面纹理不同（例如光滑与粗糙或凹凸不平的糖果）或形状不同的材料，例如圆锥形的玉米糖和球形的麦芽球。其他因素如何影响材料的体积流速？
• 额外：您可以再次进行此活动，但不是测量体积流速，而是测量质量流速。您需要做的是在秤上称量样品（或根据包装计算其重量），而不是在量杯中测量它们。体积流速与质量流速相比如何？
• 额外：您可以研究每种材料的堆积密度。颗粒状物质的堆积密度是其质量除以其占用的总体积（包括空气空间）。堆积密度是否与材料的体积（或质量）流速相关？ 观察和结果
总的来说，较小的糖果是否比较大的糖果具有更快的体积流速？
由于颗粒流速是复杂的，因此很难准确计算；它受到许多因素的影响，包括颗粒的表面纹理、作为整体和个体的密度、形状和尺寸，以及漏斗开口尺寸。为了仅研究颗粒尺寸对不同颗粒状物质颗粒流速的影响，您应该只使用表面纹理相似的糖果，并避免使用非常轻的糖果（例如，空心或充气糖果）。在这些条件下，您应该发现较小的糖果，如书呆子糖，通常比较大的糖果，如小薄荷糖，具有更大的体积流速。如果您还研究了您测试的糖果的堆积密度（以每单位总体积的质量来衡量，包括空气，例如克每毫升或克每立方厘米），您可能还会看到堆积密度和流速之间通常存在正相关关系。（换句话说，材料的堆积密度越大，其流速就越大）。
更多探索 颗粒状物质，来自加州大学圣塔芭芭拉分校物理系
颗粒尺寸分布和料斗流速，作者：Edward D. Sumner 等，北卡罗来纳大学教堂山分校，《药物科学杂志》颗粒状物质的新物理-机械理论，作者：Mester Laszlo
制作糖果瀑布：固体能像液体一样流动吗？，来自科学伙伴
本活动由 科学伙伴 合作推出