核心概念
物理
摩擦力
固體
液體
簡介
在寒冷的冬日早晨,你是否試過從瓶子裡擠出蜂蜜或糖漿?你是否注意到這比炎熱的夏日更難做到?隨著液體變冷,它的粘度,即流動阻力,會增加。粘度是液體的一個屬性,在非常不同的應用中可能非常重要——從糖漿如何從你的瓶子裡流出,到血液如何在人體中流動,再到熔岩如何從火山中流出。在這個项目中,你將通過舉辦一場彈珠賽跑來了解一點關於粘度的知識!
背景
你周圍到處都體驗到摩擦力。正是摩擦力讓你的鞋子能夠抓住地面,防止你滑倒,也正是摩擦力讓你的自行車在你捏剎車時停下來。這種摩擦力是一種阻礙兩個固體物體之間運動的力。然而,液體也具有摩擦力——不僅僅是對固體(例如,水對玻璃杯)的摩擦力——還有內摩擦力,即液體對自身的摩擦力。這種內摩擦力稱為粘度。不同的液體具有不同的粘度,這意味著有些液體比其他液體更容易流動。如果你想想從瓶子或水槍中噴出水,你就會注意到這一點。想像一下,用冷的糖漿做這件事會有多困難!
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科學家可以用幾種不同的方法來測量液體的粘度。一種方法稱為“落球粘度計”,其中你將一個球體(例如彈珠)放入裝滿液體的管子中。通過測量彈珠下落的時間和行進的距離,你可以計算出液體的粘度。在這個活動中你不需要做任何計算——但你將通過將彈珠放入不同的液體中來“賽跑”。粘度會影響彈珠的下落速度嗎?嘗試這個項目來找出答案!
材料
約一打大小相等的彈珠
至少兩個大小相等的高透明玻璃杯(越高越好)
廚房裡你被允許使用的各種液體,例如水、糖漿、蜂蜜、糖蜜、橄欖油、植物油等等
濾網或濾盆
可以灑上液體(水、油等)的平面——或表面的保護措施(例如大型垃圾袋)
可選:額外的碗/容器和/或漏斗(用於儲存和重複使用您在活動中使用的液體,如果您不想將它們扔掉)
可選:志願者幫助你查看哪個彈珠先到達底部
準備工作
如果你想保存和重複使用你在活動中使用的液體,請確保用肥皂和水徹底清洗你的彈珠和玻璃杯,然後完全擦乾它們。這將確保它們是乾淨的,你不會弄髒你的液體。
在你的平面上準備一個工作空間,並確保它已準備好應對任何意外的溢出物(水、油等)。
步驟
將你的兩個(或更多)玻璃杯分別裝滿不同液體,達到相同的高度。(為了避免在您將彈珠掉入時溢出,請勿將它們裝滿到杯沿。)
你認為哪種液體的粘度更高?當你將它們倒入杯子時,你能分辨出來嗎?你認為彈珠會在其中一種液體中下落得更快嗎?
每隻手各拿一顆彈珠,剛好在每個杯子中液體的表面之上。
密切觀察玻璃杯。準備好觀察底部,看看哪個彈珠先到達底部。如果你有志願者,讓他們也看著玻璃杯。
同時放開彈珠。
觀察哪個彈珠先到達杯子底部。
哪個彈珠贏得了“比賽”?你的結果與你的預測相符嗎?
用更多的彈珠重複這個活動,看看你是否得到相同的結果。(每次使用乾淨、乾燥的彈珠。)
如果你有多種不同的液體,你可以嘗試在其他液體中進行彈珠賽跑,看看會發生什麼。
彈珠通過哪種液體下落得最快?最慢?
額外內容:如果你掉落不同類型的彈珠(例如,鋼珠對玻璃彈珠)或不同大小的彈珠會發生什麼?你的比賽結果會改變嗎?
額外內容:如果你改變液體的溫度會發生什麼?讓成年人幫助你將一些糖漿在冰箱中冷卻,並在爐子上或微波爐中加熱一些。如果你用冷的和溫的糖漿代替室溫糖漿進行比賽會發生什麼?溫度如何影響液體的粘度?溫度效應在某些液體上是否比在其他液體上更強?
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觀察和結果
在倒入液體時,你可能已經注意到其中一些液體“更稠”或更難倒出。這些是粘度更高的液體。你也可以想想你在日常生活中使用這些液體時它們是什麼樣子的。例如,如果你將水倒在煎餅上會發生什麼?它會像糖漿一樣緩慢流動,還是會很快散開?如果你試圖倒一杯糖漿並喝下去呢?撇開味道(和健康)不談,這會比喝一杯水更難嗎?
你應該已經觀察到,彈珠在粘度更高的液體(如糖漿)中比在粘度較低的液體(如水)中下落得更慢。這是因為粘度更高的液體具有更大的流動阻力,使得彈珠更難通過它們。然而,可能很難區分某些液體的結果之間的差異——特別是如果你的玻璃杯不是很高。這就是為什麼多次試驗並讓志願者幫助觀察彈珠很重要。
清理
如果你想保留剩餘的液體以供將來使用,請讓成年人幫助你將它們倒回儲存容器中。(使用濾網去除彈珠)。否則,請讓成年人幫助你妥善處理液體。小心,因為將一些粘稠液體(如食用油)倒入水槽可能會堵塞排水管。
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