关键概念
物理
气体
温度
膨胀和收缩
引言
你可能知道许多物体在受热时会膨胀（或变大），在冷却时会收缩。例如，金属、木材和混凝土都是如此。但你知道气体也会这样吗？只是当这种情况发生时很难看到。这个活动将让你用“水”来“看到”空气收缩！
背景
物质，如固体、液体或气体，被定义为“具有质量并通过体积占据空间的一种物质”。如果物质被加热，它会倾向于改变其形状、面积和体积。这种特性称为热膨胀。发生这种变化的原因是所有物质都是由原子和分子组成的，它们的行为会因冷热而异。当加热时，分子开始振动并非常快速地移动。这导致它们之间的距离更大，从而导致材料膨胀。然而，当冷却时，分子往往运动得少得多，这使得它们占据的空间更少。
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液体温度计是热膨胀的一个很好的应用。被困在小玻璃管中的液体，由于温度升高或降低而改变其体积。如果变热，液体膨胀并在玻璃管中上升，指示较高的温度。如果变冷，液体收缩，其在管中的液位下降，指示较低的温度。然后，体积变化的准确量可以与温度变化相关联。这允许我们从温度计内部的液位读取温度。
在这个活动中，你还将使液体在玻璃杯中上升——不是由于液体的热膨胀，而是由于液体上方的气体的热收缩。困惑了吗？那就做这个活动，看看它是如何工作的！
材料
两个相同的平板
冰块
两个相同的透明饮用玻璃杯
一个大碗（它应该足够深，以便其中一个玻璃杯可以浸没在其中。）
自来水（热水和冷水）
食用色素（可选）
准备工作
小心地将热自来水（你拥有的最热的设置）倒入碗中。
将其中一个玻璃杯浸入水中，使其完全被水覆盖并充满水。
将另一个玻璃杯放在室温下。
将冰块放在其中一个平板上，并加入冷水，使整个平板都被冰水覆盖。
在第二个平板上倒入一些室温水，使其也被水覆盖。
可选地，你可以在两个平板上的水中加入一到两滴食用色素，以使现象更明显。
步骤
用手指感受两个平板上水的温度。温度差别很大吗？
小心地将玻璃杯从热水碗中取出。玻璃杯感觉如何？它很热吗？
将冰块推到平板的两侧，将玻璃杯倒放在装有冰水的平板上。当你把玻璃杯放在平板上时，玻璃杯会发生什么？平板上的液体会发生什么？
观察玻璃杯五到十分钟。随着时间的推移，液体或玻璃杯会发生任何变化吗？如果是，会发生什么？你能解释你的观察结果吗？
10分钟后，将玻璃杯从平板上取下。这次玻璃杯感觉如何？在测试过程中，它的温度发生了变化吗？
接下来，拿起第二个没有浸入碗中的玻璃杯，将其倒放在装有室温水的第二个平板上。你认为这次平板上的水和玻璃杯会发生什么？
再次观察玻璃杯五到十分钟。你看到有任何变化发生吗？结果和之前一样吗？无论你回答是或否，你能解释原因吗？
额外：你能准确找出你的玻璃杯可以吸入多少水吗？在平板上添加不同量的水并进行测试！如果你想添加更多的水，你可能需要使用更大的平板。
额外：玻璃杯和平板上的水之间需要多大的温差才能将水吸上来？用温水（而不是热水）装满碗，并重复测试。你也可以改变平板上水的温度。它需要是冰水吗？温差需要有多大？
额外：将你的玻璃容器更改为更大或更小的容器是否会改变你的结果？玻璃杯的形状重要吗？设计测试来找出答案！
观察和结果
当你把温暖的玻璃杯放在装有冷水的平板上时，你应该看到水在玻璃杯内上升。当浸没在热水中时，玻璃杯最初会被加热。一旦你把它从碗里拿出来，玻璃杯里的水就会被空气取代，空气也会被加热。当你把玻璃杯倒放在平板上的冰水层上时，冰水会冷却玻璃杯和里面的温暖空气。这会导致玻璃杯内的空气收缩（它的分子不会像以前那样跳动）。
玻璃杯内收缩的空气对玻璃杯中的水施加的压力（空气分子对它们接触的表面施加的“推力”）低于玻璃杯外的室温空气。这导致水被推入玻璃杯中，压缩内部的空气。最终，压力差会平衡，上升的水会停止。换句话说，玻璃杯内收缩的空气体积被水取代。如果玻璃杯和平板上的水处于相同的温度，则不会发生这种情况。玻璃杯内的空气没有理由冷却，因此它保持相同的体积和压力，并且没有任何东西可以将水推入玻璃杯中。
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