核心概念
能量
熱量
物理學
熱能
熱膨脹
引言
有沒有想過為什麼橡皮筋在拉伸後如此容易彈回原位？當拉伸時，橡膠會用力拉回以恢復其原始形狀。這是非常有彈性的材料！當然，你會發現，如果你讓橡皮筋纏繞在某個東西上足夠長的時間——比如一兩年——它最終會永久拉伸甚至斷裂。但橡膠的什麼特性使其如此頑固地抵抗永久變形呢？答案與其不尋常的分子結構以及熱能，或熱量，如何持續作用於其分子有很大關係。在這個活動中，你將拿起吹風機和一個重物來探索橡膠分子是如何工作的。
背景
物質通常在溫度較高時佔據更多空間，而在溫度較低時佔據較少空間。科學家將這種趨勢稱為熱膨脹，這在氣體中最明顯。如果你曾經把水瓶放在炎熱的車裡，你就會熟悉當你擰開瓶蓋時逸出的熱空氣和水蒸氣的嘶嘶聲。對於液體，熱膨脹有助於解釋溫度計的工作原理。受溫暖溫度加熱後，膨脹的紅色液體無處可去，只能沿著溫度計的玻璃管上升。通常最難識別固體物體的熱膨脹，但在炎熱的夏天，長段鐵軌實際上會由於熱膨脹壓縮軌道的應力而膨脹和彎曲。
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材料
• 厚而寬的橡皮筋
• 冰塊
• 膠帶
• 方格紙
• 吹風機
• 相對較重的東西作為砝碼（錘子、訂書機或腳踏車U型鎖都非常適用）
• 方格紙
步驟
• 拿一條厚而寬的橡皮筋，用雙手捏住一端。輕輕拉緊，但不要拉伸。
• 小心將橡皮筋放到你的臉上。注意橡皮筋的溫度。你注意到了什麼？
• 快速拉伸橡皮筋，並保持拉伸狀態。再次將你的臉靠近橡皮筋。溫度發生了什麼變化？你認為這是為什麼？
• 不要讓橡皮筋立即恢復到原來的形狀——我們的目標是先讓它恢復到室溫！將橡皮筋從臉上移開，等待約 15 秒。
• 15 秒過後，快速釋放橡皮筋上的張力，不要鬆手，讓它收縮並恢復到原來的形狀。再次放到你的臉上。這次你注意到橡皮筋的溫度有什麼變化？你認為我們如何解釋這一點？
• 將一張方格紙用膠帶粘在牆上，高度大約與肩同高。
• 將橡皮筋環繞在你的重物上，使重物可以懸掛在橡皮筋上。
• 用非慣用手的拇指和食指捏住橡皮筋的另一端（例如，如果你是右撇子，則是左手）。將這隻手的一側靠在牆上，位置略高於方格紙，使重物從橡皮筋上自由懸掛。確保重物沒有接觸到牆壁。
• 用另一隻手用筆在方格紙上標記出重物底部的位置。
• 拿起你的吹風機，確保它設定為熱風。開啟它，並將熱風 направлять 向橡皮筋約 15 秒。向下傾斜，以免燙傷你的手！
• 加熱橡皮筋後，確定重物是向上還是向下移動。用筆標記出重物底部的新位置。你觀察到的現象是否符合你的預期？你認為你如何解釋你的觀察結果？
• 等待幾秒鐘，讓橡皮筋恢復到室溫。
• 現在，用冰塊在橡皮筋表面摩擦。仔細觀察重物，確定它是向上還是向下移動。標記出重物底部的新位置。你觀察到的現象是否符合你的預期？你認為你如何解釋你的觀察結果？你注意到你所做的所有標記的相對位置有什麼特點？觀察和結果
你是否注意到橡皮筋在溫暖時收縮，在涼爽時膨脹？如果我們將熱膨脹作為我們理解受熱物質行為的唯一模型，那麼橡膠會給我們一個完全出乎意料的結果！但這裡沒有違反任何熱力學定律。相反，瞭解橡膠在分子水平上的行為對於理解你觀察到的現象至關重要。
當原子溫度較高時，它們振動得更快。具有簡單分子結構的物體在受熱時往往會膨脹，因為它們振動的原子會更猛烈地相互碰撞。橡膠發生的情況不太直接，因為構成橡膠分子的原子具有更復雜的結構：它們的排列方式很像長鏈中的鏈環。當這些鏈中的一個原子被另一個原子撞擊時，被撞擊的原子會在其鏈中形成一個扭結，從而縮短鏈條。想象一下，每秒鐘都有數十億個橡膠分子發生這個過程。橡膠不斷收縮，因為數十億個微小的、振動的“鏈條”相互扭結，而這一切都是因為熱量！
當你用吹風機向你的系統新增更多熱量時，你使橡膠分子能夠更用力地拉動，因為你導致單個原子振動得更快。當你在橡皮筋上摩擦冰塊時，你帶走了大量的熱能，這導致鏈條鬆開並伸直。現在，想想你在活動開始時觸控橡皮筋的情景。當你拉伸橡皮筋時，你使它的鏈條變硬，導致分子更猛烈地相互碰撞並振動得更快。這產生了更多的熱量。當橡皮筋收縮時，塌陷的鏈條變得鬆散並吸收了原子的振動，導致它們振動得更慢。這也導致橡皮筋的溫度下降。
你的吹風機本質上將你的橡皮筋變成了一個熱機——一種將熱能轉化為機械功的機器。美國物理學家理查德·費曼描述瞭如何製造一個更精巧的熱機，透過使用橡皮筋、熱燈和一個腳踏車輪來產生穩定的扭矩。如果你用橡皮筋代替輪子上的輻條，使輪子的輪轂保持在中心位置，並將輪子安裝在固定的軸上，你可以使用兩個熱燈來使一組橡皮筋“輻條”收縮。這會使輪子的重心發生位移，使其不再位於與其軸相同的位置。當輪子開始轉動時，新的橡皮筋輻條暴露在熱燈下，並且當這些橡皮筋收縮時，輪子的重心不斷位移。重力的拉力逐漸使輪子繞軸轉動，透過熱能產生扭矩！
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本活動由 Education.com 合作推出