核心概念
能量
热量
物理学
热能
热膨胀
引言
有没有想过为什么橡皮筋在拉伸后如此容易弹回原位？当拉伸时，橡胶会用力拉回以恢复其原始形状。这是非常有弹性的材料！当然，你会发现，如果你让橡皮筋缠绕在某个东西上足够长的时间——比如一两年——它最终会永久拉伸甚至断裂。但橡胶的什么特性使其如此顽固地抵抗永久变形呢？答案与其不寻常的分子结构以及热能，或热量，如何持续作用于其分子有很大关系。在这个活动中，你将拿起吹风机和一个重物来探索橡胶分子是如何工作的。
背景
物质通常在温度较高时占据更多空间，而在温度较低时占据较少空间。科学家将这种趋势称为热膨胀，这在气体中最明显。如果你曾经把水瓶放在炎热的车里，你就会熟悉当你拧开瓶盖时逸出的热空气和水蒸气的嘶嘶声。对于液体，热膨胀有助于解释温度计的工作原理。受温暖温度加热后，膨胀的红色液体无处可去，只能沿着温度计的玻璃管上升。通常最难识别固体物体的热膨胀，但在炎热的夏天，长段铁轨实际上会由于热膨胀压缩轨道的应力而膨胀和弯曲。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们今天世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。
材料
• 厚而宽的橡皮筋
• 冰块
• 胶带
• 方格纸
• 吹风机
• 相对较重的东西作为砝码（锤子、订书机或自行车U型锁都非常适用）
• 方格纸
步骤
• 拿一条厚而宽的橡皮筋，用双手捏住一端。轻轻拉紧，但不要拉伸。
• 小心将橡皮筋放到你的脸上。注意橡皮筋的温度。你注意到了什么？
• 快速拉伸橡皮筋，并保持拉伸状态。再次将你的脸靠近橡皮筋。温度发生了什么变化？你认为这是为什么？
• 不要让橡皮筋立即恢复到原来的形状——我们的目标是先让它恢复到室温！将橡皮筋从脸上移开，等待约 15 秒。
• 15 秒过后，快速释放橡皮筋上的张力，不要松手，让它收缩并恢复到原来的形状。再次放到你的脸上。这次你注意到橡皮筋的温度有什么变化？你认为我们如何解释这一点？
• 将一张方格纸用胶带粘在墙上，高度大约与肩同高。
• 将橡皮筋环绕在你的重物上，使重物可以悬挂在橡皮筋上。
• 用非惯用手的拇指和食指捏住橡皮筋的另一端（例如，如果你是右撇子，则是左手）。将这只手的一侧靠在墙上，位置略高于方格纸，使重物从橡皮筋上自由悬挂。确保重物没有接触到墙壁。
• 用另一只手用笔在方格纸上标记出重物底部的位置。
• 拿起你的吹风机，确保它设置为热风。打开它，并将热风 направлять 向橡皮筋约 15 秒。向下倾斜，以免烫伤你的手！
• 加热橡皮筋后，确定重物是向上还是向下移动。用笔标记出重物底部的新位置。你观察到的现象是否符合你的预期？你认为你如何解释你的观察结果？
• 等待几秒钟，让橡皮筋恢复到室温。
• 现在，用冰块在橡皮筋表面摩擦。仔细观察重物，确定它是向上还是向下移动。标记出重物底部的新位置。你观察到的现象是否符合你的预期？你认为你如何解释你的观察结果？你注意到你所做的所有标记的相对位置有什么特点？观察和结果
你是否注意到橡皮筋在温暖时收缩，在凉爽时膨胀？如果我们将热膨胀作为我们理解受热物质行为的唯一模型，那么橡胶会给我们一个完全出乎意料的结果！但这里没有违反任何热力学定律。相反，了解橡胶在分子水平上的行为对于理解你观察到的现象至关重要。
当原子温度较高时，它们振动得更快。具有简单分子结构的物体在受热时往往会膨胀，因为它们振动的原子会更猛烈地相互碰撞。橡胶发生的情况不太直接，因为构成橡胶分子的原子具有更复杂的结构：它们的排列方式很像长链中的链环。当这些链中的一个原子被另一个原子撞击时，被撞击的原子会在其链中形成一个扭结，从而缩短链条。想象一下，每秒钟都有数十亿个橡胶分子发生这个过程。橡胶不断收缩，因为数十亿个微小的、振动的“链条”相互扭结，而这一切都是因为热量！
当你用吹风机向你的系统添加更多热量时，你使橡胶分子能够更用力地拉动，因为你导致单个原子振动得更快。当你在橡皮筋上摩擦冰块时，你带走了大量的热能，这导致链条松开并伸直。现在，想想你在活动开始时触摸橡皮筋的情景。当你拉伸橡皮筋时，你使它的链条变硬，导致分子更猛烈地相互碰撞并振动得更快。这产生了更多的热量。当橡皮筋收缩时，塌陷的链条变得松散并吸收了原子的振动，导致它们振动得更慢。这也导致橡皮筋的温度下降。
你的吹风机本质上将你的橡皮筋变成了一个热机——一种将热能转化为机械功的机器。美国物理学家理查德·费曼描述了如何制造一个更精巧的热机，通过使用橡皮筋、热灯和一个自行车轮来产生稳定的扭矩。如果你用橡皮筋代替轮子上的辐条，使轮子的轮毂保持在中心位置，并将轮子安装在固定的轴上，你可以使用两个热灯来使一组橡皮筋“辐条”收缩。这会使轮子的重心发生位移，使其不再位于与其轴相同的位置。当轮子开始转动时，新的橡皮筋辐条暴露在热灯下，并且当这些橡皮筋收缩时，轮子的重心不断位移。重力的拉力逐渐使轮子绕轴转动，通过热能产生扭矩！
更多探索 理查德·费曼：有趣的想象 3：橡皮筋，来自 YouTube
橡皮筋热机，来自 Adam Micolich 在 YouTube 上的视频
如何制作橡皮筋热机，来自 Education.com
理查德·费曼——热力学定律，来自《费曼物理学讲义》
热收缩！——为什么橡皮筋加热时会变短，来自《裸体科学家》
本活动由 Education.com 合作推出