關鍵概念
浮力
重力
加速度
慣性
密度
引言
您是否注意到，當汽車加速或減速時，鬆散的物體往往會在車內移動？現在想象一下，一個充滿氦氣的氣球漂浮在汽車裡。所有車窗都關著，通風口也關著。當汽車加速時，您認為氣球的位置會發生什麼變化嗎？答案可能會讓您驚訝！用您自己的汽車（或公共交通工具）重現這個經典的物理場景，瞭解流體動力學如何導致繫繩的漂浮物體（如氣球）以意想不到的方式表現。
背景
當汽車突然停下來時，我們都知道被拋向安全帶的感覺。當汽車加速時，向後猛衝到座位上，以及當汽車急轉彎時被拉向相反方向的感覺也應該很熟悉。這些力從何而來？事實是，它們實際上不是力。這些感覺最好被描述為我們身體慣性的副作用，慣性是物質抵抗其運動變化的趨勢。除非受到外力的作用，否則物體將保持靜止或沿直線運動。一個物體擁有的質量越大——換句話說，它越重——它就越能抵抗作用在其上的力，例如試圖減慢或加速它的力。
讓我們以一位乘客乘坐一輛從靜止加速到 30 英里/小時勻速行駛的汽車為例。在加速過程中，汽車座椅推動乘客向前移動。然而，她的質量想要保持靜止，因此她感覺自己的身體向後猛衝到座位上。她真正感受到的只是她自己的慣性，這需要被汽車的推力克服！
上面的解釋可能對您來說已經很直觀了（但如果不是，請不要擔心）。在完全劇透驚喜之前，您即將探索的活動最酷的地方在於，您的結果將完全違背這種直覺（如果您想要一個可能幫助您理解即將看到的內容的提示，請記住充滿氦氣的氣球比它周圍的空氣輕）。
材料
充滿氦氣的氣球
高爾夫球或其他小而重的物體
兩根 3 英尺長的繩子、牙線或釣魚線
膠帶
汽車、公共汽車或地鐵列車
成人司機（如果使用汽車）或主管（如果使用公共交通工具）
一條几乎沒有或沒有交通的住宅街道（如果使用汽車）
步驟如果使用汽車：
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確保您的空調已關閉，並且車窗已搖上。否則，小的氣流可能會干擾您的實驗結果。
如果您的車輛有中間一排座位，則將其摺疊或拆除可能會有所幫助，從而為物體提供儘可能多的空間。
首先，我們將觀察懸掛的重物會發生什麼。將繩子的一端粘在您的高爾夫球或其他小重物上。
將繩子的另一端粘在汽車的頂棚上，以便重物可以自由擺動，而不會干擾駕駛員。請務必先獲得將膠帶貼上到汽車頂棚的許可！
在進行活動之前，請確保所有乘客都繫好安全帶。
作為觀察員，您的工作是觀察您正在測試的物體；駕駛員將觀察道路和交通。
讓駕駛員將汽車開到沒有交通的住宅街道。
穩定重物，使其不再擺動。
讓駕駛員將汽車掛入行駛檔，並從完全停止的狀態急劇（但安全地！）加速到穩定的速度。重物的位置發生了什麼變化？這是否是您期望發生的事情？為什麼？
現在讓駕駛員完全停車。當汽車減速時，懸掛重物的位置會發生什麼變化？這是否是您期望發生的事情？為什麼？
現在是時候設定充滿氦氣的氣球了。卸下懸掛的重物。將您的第二根繩子系在氣球的結上。將繩子的另一端粘在汽車的地板上（首先獲得許可）。
如果氣球與汽車的頂棚接觸，請縮短繩子的長度。確保氣球的繩子繃緊，並且氣球有足夠的空間在它所處的位置前後擺動，但不會妨礙駕駛員的視線。
讓駕駛員將汽車掛入行駛檔，並從完全停止的狀態急劇（但安全地！）加速到穩定的速度。氣球的位置發生了什麼變化？這是否是您期望發生的事情？為什麼？
現在讓駕駛員減速至完全停止。氣球的位置發生了什麼變化？這是否是您期望發生的事情？為什麼？
額外：將您的懸掛重物和漂浮氣球並排安裝，以便您可以直接比較它們在經歷不同型別的加速度時的行為。它們的位置在加速和減速期間如何變化？
額外：再次比較懸掛重物和漂浮氣球的運動。當達到穩定速度時，任何一個物體都會在其繫繩上傾斜嗎？您認為這是為什麼？
額外：讓汽車駕駛員在拐角處以穩定的速度向左或向右轉彎（在運動中，而不是從完全停止的狀態）。當您轉彎時，氣球如何移動？懸掛的重物如何移動？您如何解釋您的觀察結果？記住，轉彎是加速度的另一種形式，因為您正在改變物體的運動。
如果使用公共汽車或通勤列車
您使用汽車時遵循的相同通用步驟也適用，但您將無法控制公共汽車的加速和減速。這些運動變化也可能不是那麼急劇，因此您的測試物體的位置變化可能很細微。仔細觀察它們！
如果可以，請儘量遠離任何開啟的窗戶或通風口（沒有通風口的舊校車非常適合此活動）。
將第一根繩子粘在您的高爾夫球或小重物上，然後將其懸掛在您的手中，確保它有足夠的空間安全地擺動，而不會撞到任何物體或干擾任何其他乘客。當公共汽車加速時，重物的位置會發生什麼變化？減速？轉彎？為什麼？
將您的懸掛重物收起來，並將第二根繩子系在充滿氦氣的氣球上。將氣球繩子的末端握在您的膝蓋上，確保氣球可以自由移動不受阻礙（必要時調整氣球的高度），並且不會干擾任何其他乘客。當公共汽車加速時，氣球的位置會發生什麼變化？減速？轉彎？為什麼？
額外：如果您有空間並且獲得許可，請使用厚重的書（如教科書）將氣球系在過道的地板上。當您預測公共汽車司機的每次動作時，請嘗試預測氣球會因此移動到哪裡。
[中斷]
觀察和結果
懸掛的重物應由於其慣性而在向前加速期間向後擺動。記住，當汽車開始移動時，由於慣性，重物想要保持靜止。那麼為什麼我們沒有看到同樣的事情發生在氣球上？當汽車加速時，氣球會向汽車的前方傾斜！這裡發生了什麼？有什麼東西在推動氣球前進。而且它不是汽車本身——氣球沒有靠在任何東西上。
氣體（包括我們呼吸的空氣和純氦氣）和液體（如液態水）都是流體——沒有固定形狀的物質。放置在高密度流體中的低密度物體具有浮力；它們會漂浮，就像游泳池中的輕型橡膠鴨玩具一樣。讓我們回顧一下密度：如果一個物體或物質（固體、液體或氣體）比另一個更密集，那麼它在相同的三維空間中包裝的質量更多。想象一下，您正將一隻橡膠鴨按在游泳池的底部。由於重力，游泳池中的水分子和空心橡膠鴨內的空氣分子都會受到向下的拉力。然而，重力對具有更大質量的物體或物質施加更大的力，因此密度更高的水在爭奪將自身壓在游泳池底部的戰鬥中勝過橡膠鴨的空氣。結果，橡膠鴨被較重的水向上推開，這導致鴨子漂浮到水面。
現在讓我們看看這如何幫助解釋汽車中發生的事情。像其他所有有質量的東西一樣，我們周圍的空氣也具有慣性，因此當車輛加速時，空氣分子不會僅僅被汽車拉著走而不反抗。事實上，我們可以認為空氣分子在汽車加速時沿與懸掛重物相同的方向移動。當空氣抵抗向前運動向汽車後部晃動時，分子會強行繞過密度較低的氣球內的氦氣。當空氣分子在汽車後部擠壓自己時，它們會產生一個較高壓力的區域，從而推動氣球向前移動！相同的基本原理解釋了為什麼充滿氦氣的氣球首先會漂浮：重力將密度更高的空氣向下拉到汽車的地板上，從而在氣球下方產生一個較高壓力的區域，將氣球向上推向汽車的頂棚。透過加速和減速汽車，您只是改變了高壓區的位置——以及對氣球的最終推力的方向。
您還可以嘗試再次使用困在水罐中的氣泡進行該活動。將封閉的罐子側放，觀察當罐子受到加速和減速時氣泡會發生什麼情況。看看您是否可以解釋氣泡的行為！
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此活動與 Education.com 合作推出