核心概念
物理学
热
分子
力
引言
你是否注意到，有些物体在受热时会膨胀，冷却时会收缩？例如，你可能会用热水冲洗一个卡住的罐子盖——这会导致盖子膨胀，使其更容易拧开。这种效应对于所有材料都一样吗？试试这个有趣的活动来找出答案！
背景
材料由原子和分子组成。（分子是多个原子结合在一起的组合。）即使你肉眼看不到，这些分子也在不断地振动和相互碰撞。通常，当材料变热时，分子会更剧烈地振动。由于它们更猛烈地相互碰撞，这会导致材料稍微膨胀。这种现象称为热膨胀，它是导致道路和人行道出现许多裂缝的原因。随着温度在夏季和冬季从非常热到非常冷地变化，材料会反复膨胀和收缩，最终导致裂缝。
橡皮筋与许多其他材料不同，因为它们的分子实际上是非常长的链，有点像一堆缠结的意大利面。这些长链被称为聚合物，当加热或冷却时，它们的行为会令人惊讶。在这个活动中，你将使用热水和冰水来改变橡皮筋的温度。你认为橡皮筋在加热时会膨胀还是收缩？
材料
两升苏打水瓶
永久性记号笔
剪刀
铅笔
小而细的橡皮筋
约 20 到 25 个硬币
胶带（任何类型的都可以）
回形针
热自来水
冰块
大型浅碗或平底锅
容易清理溢出的工作区
抹布或纸巾
准备工作
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确保你有一个工作区域，可以轻松清理洒出的水，例如厨房台面。
切割瓶子和使用非常热的自来水时，请寻求成人帮助。
步骤
让成年人使用剪刀切掉两升苏打水瓶的顶部，将其变成圆柱形。
使用胶带覆盖瓶子顶部边缘周围的任何锋利边缘。
在成人的帮助下，使用剪刀在瓶子相对的两侧戳小孔（刚好足以让铅笔穿过），大约在顶部边缘下方一英寸处。
从瓶子外部将铅笔穿过其中一个孔。
将你的小橡皮筋绕在铅笔上。
继续将铅笔推过瓶子另一侧的孔。
将大约 20 个硬币堆叠在一起，并用回形针作为“钩子”，你可以用它将它们挂在橡皮筋上。你认为你的橡皮筋能够轻松支撑多少个硬币？（你需要的确切硬币数量取决于你的橡皮筋的大小和强度。你希望橡皮筋在挂上硬币时明显伸展开，但又不会伸展到碰到瓶子的底部。强劲的橡皮筋可能需要更多的硬币，较弱的橡皮筋可能需要更少的硬币。）你可以尝试将硬币分散开来，以便更容易悬挂——例如，将两堆 10 个硬币并排粘在一起，或将四堆 5 个硬币并排粘在一起——而不是一堆 20 个硬币。
将你的两升瓶放入浅碗或平底锅中，以接住任何洒出的水。
将热水加到瓶子里，直到没过铅笔，使橡皮筋完全浸没。等待一两分钟，让橡皮筋的温度与水的温度相同。你认为橡皮筋的长度可能会发生什么变化？
从侧面看瓶子，使你的眼睛与橡皮筋的底部齐平。使用永久性记号笔在瓶子侧面画一条与橡皮筋底部齐平的线，并将其标记为“热”。
现在，向瓶子里加入冰块并轻轻搅拌。这将导致水位上升，因此一些水会从你为铅笔戳的孔中溢出。
如果水仍然很热，冰块可能会迅速融化。继续加入冰块并轻轻搅拌，直到瓶子和水感到很冷。你认为在这种新温度下橡皮筋的长度会发生什么变化？
再次查看瓶子的侧面，使你的眼睛与橡皮筋的底部齐平。画一条与橡皮筋底部齐平的新线，并将其标记为“冷”。
你的“冷”线在你的“热”线的上方还是下方？这是否是你期望发生的情况？为什么是或为什么不是？
额外内容： 你可以使用温度计测量不同的水温，并使用尺子测量橡皮筋的长度，从而量化该活动。如果你在多个点进行测量（例如，热水、室温水、冰水），则可以绘制结果图表。
额外内容： 尝试其他加热和冷却方法，而不是使用热水和冷水。例如，将瓶子里的水倒出来，然后用吹风机加热橡皮筋。然后要冷却它，请尝试将瓶子放在冰箱中大约半小时。当你测量橡皮筋时，你是否得到相同的结果？
额外内容： 用不同的橡皮筋再次尝试该活动。有些橡皮筋的收缩或伸长幅度是否大于或小于其他橡皮筋？你认为这是为什么？
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观察和结果
你的结果可能让你感到惊讶！橡皮筋实际上在变冷时会膨胀！这似乎有悖常理，因为大多数材料在加热时会膨胀，在冷却时会收缩。发生这种情况是因为橡胶的不寻常的聚合物结构。当长链变热并振动时，它们实际上会缩短，导致材料收缩。当链条冷却下来时，它们会放松并伸展开，导致材料膨胀。
为了帮助可视化这一点，请拿出你在家里找到的任何几英尺长的绳索、细绳或电缆（足够短，你可以握住它的一端在空中，而另一端不接触地面）。将绳子伸出使其垂直向下悬挂（它没有振动），观察底部末端离地面的距离。现在，快速来回摇晃你的手（使绳子振动）。绳子的末端是离地面更近还是更远了？当绳子“聚拢”和振动时，它应该会更远。当橡胶中的聚合物链加热和振动时，也会发生同样的事情——它们实际上会变短。
清理
将水倒入下水道（或经允许后用于浇花），并清理任何溢出的水。从你的两升瓶上取下铅笔和胶带并回收它——或将其保存以备将来进行科学活动！
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