關鍵概念
物理學
液體
固體
尺寸
密度
介紹
你有沒有試過把沙子從桶裡或麥片從盒子裡倒出來，注意到它們似乎像水一樣“流動”？這是因為沙子和麥片都是顆粒狀物質。這意味著它們由固體顆粒組成，但它們實際上可以像液體一樣流動！糖果，如彩虹糖、M&M's、書呆子糖和許多其他糖果也是顆粒狀物質。在這個科學活動中，你將研究顆粒狀物質的尺寸和形狀如何影響它們的流動方式。還有什麼比用一些糖果來進行這項研究更好的方法呢！所以準備好把你的萬聖節糖果用於一些有益的科學用途吧。
背景
由許多獨立小顆粒組成的固體物質（如沙子）稱為顆粒狀物質，單個顆粒稱為顆粒。顆粒狀物質的尺寸範圍可以從細小的粉末（如糖和麵粉）到大型物體（如岩石和巨石）。請注意，“顆粒”一詞不僅僅指傳統上稱為顆粒的東西，如沙子或大米；它可以是顆粒狀物質中的任何物體或顆粒。
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為了使顆粒狀物質表現得像液體一樣，必須有非常非常多的顆粒緊密地聚集在一起。例如，一塊巨石從山上滾下來不像液體；但是，在山體滑坡期間，數千塊岩石、巨石和泥土顆粒從山上流下來確實表現得像液體。當顆粒狀物質像液體一樣流動時，這被稱為顆粒流。理解顆粒流對於許多將糖果、麥片或藥丸等物品裝入瓶子或袋子的行業非常重要。在這些工廠中，顆粒狀物質通常從稱為料斗的大容器中流出，並透過漏斗。為了在每個瓶子或袋子中放入適量的物料，工程師需要知道物料透過漏斗的顆粒流速。
材料
• 透明塑膠水瓶，500 毫升（一品脫）
• 剪刀
• 尺子
• 量杯（帶嘴的刻度量杯效果最佳。）
• 成人幫手
• 碗，中等到大型尺寸
• 至少三種不同尺寸的糖果，例如書呆子糖、小薄荷糖和 M&M's。您需要每種型別至少一杯。（或者，您可以使用其他型別的小型固體材料。提示：為了獲得最佳效果，請儘量只使用表面紋理相似的糖果，並避免使用非常輕的糖果，例如空心或充氣糖果）。
• 一張紙和筆或鉛筆
• 秒錶
• 計算器
準備
• 讓成人準備瓶子，使其可以用作漏斗。為此，小心地切掉底部（儘可能靠近末端），並小心地切掉頂部，直到開口尺寸約為 3.3 釐米（1.3 英寸）直徑。
步驟
• 量出至少一杯您要測試的最大型別的糖果。您使用的糖果越多，結果就越好。您量出了多少杯糖果？ 將其寫在一張紙上。
• 拿起您切好的瓶子並將其倒置。讓幫手將漏斗放在碗上方，並用手堵住 1.3 英寸寬的開口（現在應該在底部）。將量好的糖果倒入頂部，並確保底部沒有洩漏。
• 準備好秒錶，然後讓幫手快速移開他們的手並輕輕搖動漏斗。計時所有材料透過漏斗並進入下方碗中的時間。所有糖果離開漏斗需要多長時間？ 將其寫在您的紙上。提示：如果材料堵塞了漏斗，請讓成人將開口稍微擴大一些，然後重試。還要確保幫手在糖果流動的整個過程中輕輕搖動漏斗。
• 計算糖果的體積流速。為此，將糖果的體積除以完成透過漏斗流動所需的時間。例如，如果您使用了一杯 M&M's，並且花了 2 秒鐘流過，則體積流速為每秒 0.5 杯。您的糖果的體積流速是多少？
• 您可能想用同一種糖果多次嘗試此過程，以檢視結果的準確性。每次測試糖果時，請務必從碗上方大致相同的高度握住漏斗，並以相同的方式搖動漏斗。
• 用另外兩種不同尺寸的糖果嘗試整個過程。它們的體積流速是多少？
• 總的來說，您是否看到您測試的糖果的體積流速和尺寸之間存在相關性？您認為其他因素，例如表面紋理和形狀，可能會影響體積流速嗎？
• 額外：在本活動中，您研究了尺寸如何影響體積流速，但其他因素也會影響流速。為了研究這一點，請嘗試測試尺寸相同但表面紋理不同（例如光滑與粗糙或凹凸不平的糖果）或形狀不同的材料，例如圓錐形的玉米糖和球形的麥芽球。其他因素如何影響材料的體積流速？
• 額外：您可以再次進行此活動，但不是測量體積流速，而是測量質量流速。您需要做的是在秤上稱量樣品（或根據包裝計算其重量），而不是在量杯中測量它們。體積流速與質量流速相比如何？
• 額外：您可以研究每種材料的堆積密度。顆粒狀物質的堆積密度是其質量除以其佔用的總體積（包括空氣空間）。堆積密度是否與材料的體積（或質量）流速相關？ 觀察和結果
總的來說，較小的糖果是否比較大的糖果具有更快的體積流速？
由於顆粒流速是複雜的，因此很難準確計算；它受到許多因素的影響，包括顆粒的表面紋理、作為整體和個體的密度、形狀和尺寸，以及漏斗開口尺寸。為了僅研究顆粒尺寸對不同顆粒狀物質顆粒流速的影響，您應該只使用表面紋理相似的糖果，並避免使用非常輕的糖果（例如，空心或充氣糖果）。在這些條件下，您應該發現較小的糖果，如書呆子糖，通常比較大的糖果，如小薄荷糖，具有更大的體積流速。如果您還研究了您測試的糖果的堆積密度（以每單位總體積的質量來衡量，包括空氣，例如克每毫升或克每立方厘米），您可能還會看到堆積密度和流速之間通常存在正相關關係。（換句話說，材料的堆積密度越大，其流速就越大）。
更多探索 顆粒狀物質，來自加州大學聖塔芭芭拉分校物理系
顆粒尺寸分佈和料斗流速，作者：Edward D. Sumner 等，北卡羅來納大學教堂山分校，《藥物科學雜誌》顆粒狀物質的新物理-機械理論，作者：Mester Laszlo
製作糖果瀑布：固體能像液體一樣流動嗎？，來自科學夥伴
本活動由 科學夥伴 合作推出