关键概念
化学
物质状态
气体
能量
温度
引言
您是否曾经烘焙或购买过一条面包、松饼或纸杯蛋糕，并欣赏过蓬松的最终产品？如果是这样，您就体会到了膨胀气体的工作！它们无处不在——从厨房到宇宙。每次你吃一片面包、咬一口饼干或喝一口苏打水时，你都品尝过它们的乐趣。在这个科学活动中，你将把气体捕捉到一个你可能很熟悉的弹性容器中——一个气球！这将让你观察到气体如何随着温度的变化而膨胀和收缩。
背景
你周围世界中的一切都是由物质组成的，包括一个充气的气球和它内部的东西。物质有四种不同的形式，称为状态，（通常）从最低到最高能量排列。它们是：固体、液体、气体和等离子体。气体，如气球内的空气或氦气，会呈现出它们所在容器的形状。它们会扩散开来，使空间均匀地充满气体分子。气体分子不是连接在一起的。它们直线运动，直到撞到另一个气体分子或容器壁，然后它们会反弹并继续朝另一个方向运动，直到撞到其他东西。容器中所有气体分子的总运动能量称为平均动能。
这种平均动（运动）能会随着温度的变化而变化。当气体分子被加热时，它们的平均动能也会增加。这意味着它们移动得更快，并且在气球内发生更频繁和更剧烈的碰撞。当冷却时，气体分子的动能会降低，这意味着它们移动得更慢，碰撞的频率更低，强度也更弱。
材料
带有一些空闲空间的冰柜
两个可以膨胀到大约 9 到 12 英寸的乳胶气球
一根至少 20 英寸长的绳子
记号笔
布卷尺。（普通的卷尺或直尺也可以，但最好使用布卷尺。）
一张废纸和一支钢笔或铅笔
时钟或定时器
一位助手
准备工作
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确保你的冰柜有足够的空间可以轻松地放入一个充气的气球。气球不应被压扁或挤压。如果需要移动食物以腾出空间，请务必获得任何在冰柜中储存食物的人的许可。还要确保避开冰柜的任何尖锐物体或部件。
吹起一个气球，使其基本但不是完全充满。然后小心地打结扎紧。在你的助手的帮助下，使用布卷尺或一段绳子（然后用卷尺测量绳子）测量气球最宽部分的周长。气球的周长是多少？
吹起另一个气球，使其看起来与第一个气球的大小大致相同，但不要将其扎紧。用拇指和手指捏住开口，使空气无法逸出。让你的助手测量气球的周长，然后调整内部空气量，直到它与第一个气球的周长相差约半英寸或更小（正负）（通过吹入更多空气，或让少量空气逸出）。然后将第二个气球扎紧。
步骤
转动其中一个气球，以便你可以看到它的顶部。在最顶部应该有一个稍暗的点。使用记号笔，小心地在较暗点的中心做一个小点。
然后拿一个布卷尺（或使用一段绳子和一个普通的卷尺或直尺），小心地用记号笔在气球的顶部画两条小线，这两条线彼此相距两英寸半，较暗的点作为中点。要做到这一点，你可以将卷尺居中，使其一英寸四分之一的标记在你做的小点上，然后在零点和两英寸半的点上画一条线。
对另一个气球重复此操作，使其顶部也有两条相距两英寸半的线。
在其中一个气球上的某个位置写上数字“1”，在另一个气球上写上数字“2”。
由于用粗记号笔在气球上画出精确的线可能很困难，现在测量你画在每个气球上的两条线之间的精确距离，从两条线的外部测量。（例如，距离可能是两英寸八分之三或两英寸八分之五。）将每个气球的距离（以及气球的编号）写在一张废纸上。你认为为什么在测量距离时如此精确很重要？
将 1 号气球放入你为其腾出的空间的冰箱中。在冰箱中放置 45 分钟。在此期间不要打扰它或打开冰箱。你认为气球在冰箱里放置后尺寸会有什么变化？
在此期间，将 2 号气球放在室温下的某个地方（不是在阳光直射下或靠近热灯）。
在 1 号气球放入冰箱 45 分钟后，将你的布卷尺（或一段绳子和普通卷尺）带到冰箱，在气球仍在冰箱中（但冰箱门打开以便你可以接触到气球）的情况下，快速测量两条线之间的距离，就像你之前做的那样。两条线之间的距离改变了吗？如果改变了，它是如何改变的？这告诉你气球的大小是否发生了变化？你认为这是为什么？
然后测量 2 号气球上两条线之间的距离，该气球保持在室温下。两条线之间的距离改变了吗？如果改变了，它是如何改变的？气球的尺寸如何变化？你认为这是为什么？
总的来说，当放入冰箱时，气球的尺寸如何变化？你的结果告诉你，当温度变化时，气体如何膨胀和收缩？
额外：将 1 号气球从冰箱取出后，将其在室温下放置至少 45 分钟，使其升温。然后重新测量线之间的距离。气球升温后尺寸发生了什么变化，如果有变化的话？
额外：再次尝试此活动，但不是将 1 号气球放入冰箱，而是将其放在炎热的地方 45 分钟，例如在炎热的室外或在温暖的汽车内。（只要确保气球不在阳光直射下或靠近热灯，因为这会因气体逸出而使气球放气。）气球放在炎热的地方时尺寸会发生变化吗？如果发生变化，如何变化？
额外：在此活动中，你使用了肺中的空气，但其他气体的表现可能不同。你可以再次尝试此活动，但这次用氦气填充气球。使用氦气如何影响气球放入冰箱时的尺寸变化？
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观察和结果
与放在室温下的 2 号气球相比，放在冰箱中的 1 号气球是否缩小了一点？
你应该看到，当你把气球放在冰箱里时，线之间的距离稍微减小了，从大约两英寸半减少到两英寸四分之一（或减少了四分之一英寸，约 10%）。气球缩小了！保持在室温下的气球上的线之间的距离应该基本保持不变（或略微减少），这意味着气球的尺寸不应该真正改变。冷冻的气球缩小了，因为气球中气体分子的平均动能在温度降低时降低。这使得分子移动得更慢，并且与气球的内壁发生较少和较弱的碰撞，从而导致气球稍微缩小。但是，如果你让冷冻的气球升温，你会发现它又变大了，变得和一直放在室温下的气球一样大。这是因为平均动能会因温度升高而增加，使分子移动得更快，并再次更频繁、更剧烈地撞击气球内部。
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