关键概念
生物学
物理学
热传递
隔热材料
温度
导言
在寒冷的冬日散步后回到舒适的家中，穿上蓬松的拖鞋，坐在壁炉旁，喝着一杯暖暖的热巧克力，是多么惬意啊？然而，像北极熊、北极狼或南极企鹅这样的动物就没有这么幸运能有这样的地方来保暖。它们是如何面对极端的冬季低温的呢？大多数动物会在秋季长出“冬装”。你有没有想过这些“冬装”是什么样的，以及它们是如何帮助动物保暖的？做做这个有趣的活动，你就会亲身体验到！
背景
温血哺乳动物——包括人类——会利用从食物中获取的部分能量来保持体温相对恒定。调节体温需要大量的能量，特别是当环境温度远低于你的体温时。
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人类穿衣服来保暖——而且天气越冷，需要的衣服层数就越多。衣服在我们温暖的身体和寒冷的天气之间形成一道热屏障，防止热量散失。其他哺乳动物也进化出了天然屏障来锁住体热，使它们能够在寒冷的气候中生存。就好像它们穿上了好几层“冬装”，每一层都起着重要的作用。
第一层“冬装”通常是隐藏在皮肤下的脂肪层，称为“鲸脂”。除了是一种良好的隔热材料——它不容易让热量通过——脂肪还具有作为受欢迎的食物储备的额外好处。接下来的一层“冬装”，取决于动物种类，通常是紧贴皮肤的致密绒毛或绒羽层，就像一件温暖的内衣。这种舒适柔软的“冬装”充满了气囊，可以提供隔热效果；静止的空气层也是一种良好的隔热材料。最后，为了防止潮湿，通常还有一层油性的、防水的保护性毛发或羽毛。有时这些毛发看起来是白色的，但它们通常是透明且空心的，这有一个很大的优势：它们提供了额外的隔热性能。
一些北极动物，如北极熊，由于隔热性极佳，以至于无法用夜视镜发现它们，因为夜视镜会捕捉辐射热。这意味着它们的外层毛皮与周围环境的温度相同。换句话说，这些动物可以将所有热量都保持在体内，不向环境散失任何热量。多么令人惊叹！
准备好感受这些材料的隔热能力了吗？收集一些物品，试试看！
材料
拉链式三明治袋（四个）
小盘子（四个）
冰块
小羽毛（工艺羽毛即可）
四分之一磅黄油（一根），室温
尺子
准备工作
在一个三明治袋中装入约两厘米厚的羽毛层，然后封口。
在另一个三明治袋中装入两厘米厚的黄油层，然后封口。如果黄油不是室温，在进行测试前，将装有黄油的袋子放置一段时间。
将空气困在第三个三明治袋中。尽量使其厚度与其他袋子相同。（先将袋子封口一半多一点，然后向里面吹气并封口剩余部分效果很好；因为你这样困住的空气比室温高，最好将袋子放置一段时间以进行调整。）
留空第四个三明治袋。
在四个小盘子上各放一层冰块。
将一个袋子放在每个盘子上的冰块顶部。
步骤
让一只手放在空袋子上，另一只手放在羽毛袋子上。避免向下按压袋子。哪个感觉更冷？
移开你的手，稍等片刻，直到两只手都再次感到温暖。现在，将一只手放在空袋子上，另一只手放在装有脂肪的袋子上。现在哪个感觉更冷，空袋子还是装有脂肪层的袋子？
在继续之前，你预计哪个会感觉更冷，空袋子还是装有空气的袋子——或者它们都会感觉一样冷？
感受一下哪个感觉更冷。你的预测正确吗？
稍后你将比较羽毛层、脂肪层和空气层。你认为哪个会感觉最温暖，哪个会感觉最冷？感觉最温暖的那个会形成最佳的热屏障，因此，是最佳的隔热材料。科学家们将阻止热传递的材料称为“隔热材料”。
进行测试。在比较之前，确保让你的手适应室温。你能够分辨出哪个袋子感觉更温暖吗？还是差异太小而无法察觉？
为了进行更详细的测试，将袋子放在冰块上15分钟，然后再次感受。现在你能察觉到差异吗？
你的预测和你的测试结果一致吗？
额外活动：你认为增加几层会形成更大的热屏障吗？要测试这一点，你首先必须让你的袋子再次变暖。将它们从冰块上取下，并在室温下放置一段时间。然后将一叠两个袋子放在冰块上，测量顶部感觉变冷需要多长时间。比单层需要更长的时间吗？
额外活动：尝试其他一些材料，如羊毛、棉花、皮革、羊毛绒、纸或铝箔。你预计哪些是良好的隔热材料？你的测试结果与你的预测一致吗？
额外活动：现在你知道了一些良好的隔热材料，你能否为在北极工作的科学家或探索珠穆朗玛峰的登山者设计一套救生服？一旦你完成了你的设计，查阅一下在极端寒冷条件下生活或工作的人们穿什么。你的设计与他们的相似还是非常不同？你认为他们为什么选择这些服装？
观察和结果
空袋子可能感觉比装满材料的袋子凉得多。袋子中的材料是良好的隔热材料——它们不容易让热量通过。将两个袋子叠放在一起会形成更强的屏障，因此顶部袋子感觉变冷可能需要更长的时间。
装有黄油（脂肪）的袋子可能比装有空气或羽毛的袋子感觉更冷，这导致了这样的结论：热量通过脂肪的传递速度比通过等厚的静止空气层更快。羽毛之所以能隔热，是因为它们可以困住空气，因此羽毛袋子和空气袋子感觉起来可能几乎没有差别。
北极气候区的人们使用动物皮毛以及合成服装来保护自己免受寒冷侵袭。为抵御极端天气而制造的合成服装使用了与动物身上发现的相同的锁热技术。例如，它们可能会使用羽绒来困住空气，或者具有防水涂层以防止潮湿。
清理
只要你使用了干净的袋子，你就可以重复使用黄油进行烹饪。也可以重复使用你的羽毛和其他袋子。
更多探索 关于热的有趣事实，来自俄亥俄州立大学“超越企鹅和北极熊”项目
动物如何用鲸脂保暖，来自《大众科学》 用隔热材料保暖，来自《大众科学》 新研究揭示北极熊如何保暖，来自“Inside Science”
此活动由科学伙伴合作推出
