空瓶子有多空?

来自科学伙伴的令人兴奋的活动

顺其自然:了解看不见的空气袋如何产生惊人的强大效果!

乔治·雷特塞克

主要概念
物理学
压力
伯努利原理
空气流动

导言
您知道飞机和声音有什么共同之处吗? 您能猜到是什么吗? 气压! 空气是如此的流动和无形,但它能驱动如此多的现象,这真是令人着迷。 在这项活动中,您将用自己的呼吸将一个小纸球吹进一个空瓶子。 听起来很简单,但真的是这样吗? 亲自尝试一下,看看结果如何!

背景
深空中有一些区域是完全空旷的——没有任何物质。 科学家称这种没有物质的状态为真空。 在地球上,杯子或瓶子似乎是空的,但这与真正空旷的空间不同。 这些容器内部实际上不是真空,而是空气。 空气是肉眼看不见的,但实际上是由微小的粒子组成的,这些粒子在不断运动。


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当不受干扰时,空气(一种气体)会试图创造平衡,这意味着它会试图均衡其粒子的分布和运动。 当您制造干扰时,例如飞机的机翼穿过空气,或振动的鼓有节奏地将空气粒子推到一起时,事情就会变得有趣。 18 世纪,瑞士科学家丹尼尔·伯努利注意到,空气流动速度快的地方,气压低于空气流动速度慢的地方。 当空气努力重建平衡时,空气会自动尝试从压力较高的区域移动到压力较低的区域。 这就产生了飞机机翼上的升力、鼓声和其他更多现象。

气压差会不会使将纸球吹进“空”瓶子比看起来更难? 尝试一下这个活动来找出答案!

材料

  • 一张四英寸见方的打印纸

  • 塑料广口瓶,大约 500 到 800 毫升[公制和英制混合使用可以:纸仍然是英寸,塑料瓶现在是毫升](大约 17 到 27 盎司)。 (如果您只有瓶口较小的瓶子,请使用两英寸乘四英寸的纸张制作纸球。)

  • 桌子或其他平面

  • 纸板管,例如纸巾卷筒

  • 助手

  • 小球(可选)

  • 其他瓶子或罐子(可选)

  • 吸管(可选)

准备

  • 将纸张揉成一个紧实的球。 球应该很容易穿过瓶口。

步骤

  • 将瓶子侧放,瓶口朝向您。 请助手按住瓶口,使其接触工作表面。

  • 将纸球放在瓶口前,距离瓶子约 2.5 厘米(1 英寸)。

  • 稍后您将把球吹进瓶子。 您预计这将有多大挑战性?

  • 试一试! 结果如您所料吗?

  • 与您的助手交换位置。 他们能把球吹进瓶子里吗?

  • 集思广益,想想哪些方法可以使将球吹进瓶子更容易。 尝试那些听起来最有希望的方法。 如果某些方法有效,您认为是什么使这些解决方案有效,而其他解决方案失败?

  • 观察类似的情况可能有助于解释为什么将纸球吹进瓶子出乎意料地困难。 尝试将球滚进瓶子里。 这很难吗? 当您滚动球时与吹球时有什么不同?

  • 将纸板管平放,开口朝向您。 将纸球放在管口前约 2.5 厘米处。 您预计将球吹进管子有多大挑战性?

  • 试一试。 结果如您所料吗?

  • 将管子与瓶子进行比较。 有什么不同和相似之处? 哪些差异可能使将球吹进瓶子更困难? 您能找到方法来检验您的解释吗?

  • 额外内容:寻找其他小球或用您在房子周围找到的物品制作小球。 用较重或较轻的球更容易吗?

  • 额外内容:将塑料瓶换成其他瓶子或罐子。 您能将球吹进那些瓶子或罐子里吗? 您认为您得到这些结果的原因是什么?

  • 额外内容:使用吸管将您吹出的空气直接 направлять 到球上。 这能帮助您将球吹进瓶子吗?

观察和结果
很可能几乎不可能在不使用工具的情况下将球吹进瓶子——但很容易将其吹进管子或滚进瓶子。

虽然瓶子和管子看起来是空的,但两者都充满了空气。 管子中的空气可以自由地从管子的两端流出,而瓶子中的空气只能通过瓶口排出。

当您吹气时,您会产生气流,空气的运动可以将轻球带走。 当您朝管子吹气时,管子前面的空气会将已经存在于管子中的空气从另一端推出。 球跟随气流进入管子。 当您朝瓶口吹气时,就好像您吹出的空气和跟随气流的球从已经位于瓶子内的空气中反弹一样——因为瓶子内的空气无处可去。 球不会进入瓶子。

您还可以使用伯努利的观察结果来解释为什么吹球不会将球推入瓶子。 瓶子内部的空气流动缓慢,因此与瓶子前方的快速流动的空气(您刚刚吹出的空气)相比,压力更高。 因为空气总是试图达到平衡,所以来自瓶子的空气(高压区域)将流出瓶子,流向低压区域,并将球带走。

当您将球滚入瓶子时,空气可以在球滚入的同时通过瓶口从瓶子中排出。 为了成功地将球吹入瓶子,您需要将您吹出的空气集中到球上——而不是让空气绕过它。 吸管可以帮助您做到这一点。

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本活动由科学伙伴合作推出

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