關鍵概念
生物學
物理學
熱傳遞
隔熱材料
溫度
導言
在寒冷的冬日散步後回到舒適的家中，穿上蓬鬆的拖鞋，坐在壁爐旁，喝著一杯暖暖的熱巧克力，是多麼愜意啊？然而，像北極熊、北極狼或南極企鵝這樣的動物就沒有這麼幸運能有這樣的地方來保暖。它們是如何面對極端的冬季低溫的呢？大多數動物會在秋季長出“冬裝”。你有沒有想過這些“冬裝”是什麼樣的，以及它們是如何幫助動物保暖的？做做這個有趣的活動，你就會親身體驗到！
背景
溫血哺乳動物——包括人類——會利用從食物中獲取的部分能量來保持體溫相對恆定。調節體溫需要大量的能量，特別是當環境溫度遠低於你的體溫時。
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人類穿衣服來保暖——而且天氣越冷，需要的衣服層數就越多。衣服在我們溫暖的身體和寒冷的天氣之間形成一道熱屏障，防止熱量散失。其他哺乳動物也進化出了天然屏障來鎖住體熱，使它們能夠在寒冷的氣候中生存。就好像它們穿上了好幾層“冬裝”，每一層都起著重要的作用。
第一層“冬裝”通常是隱藏在皮膚下的脂肪層，稱為“鯨脂”。除了是一種良好的隔熱材料——它不容易讓熱量透過——脂肪還具有作為受歡迎的食物儲備的額外好處。接下來的一層“冬裝”，取決於動物種類，通常是緊貼皮膚的緻密絨毛或絨羽層，就像一件溫暖的內衣。這種舒適柔軟的“冬裝”充滿了氣囊，可以提供隔熱效果；靜止的空氣層也是一種良好的隔熱材料。最後，為了防止潮溼，通常還有一層油性的、防水的保護性毛髮或羽毛。有時這些毛髮看起來是白色的，但它們通常是透明且空心的，這有一個很大的優勢：它們提供了額外的隔熱效能。
一些北極動物，如北極熊，由於隔熱性極佳，以至於無法用夜視鏡發現它們，因為夜視鏡會捕捉輻射熱。這意味著它們的外層毛皮與周圍環境的溫度相同。換句話說，這些動物可以將所有熱量都保持在體內，不向環境散失任何熱量。多麼令人驚歎！
準備好感受這些材料的隔熱能力了嗎？收集一些物品，試試看！
材料
拉鍊式三明治袋（四個）
小盤子（四個）
冰塊
小羽毛（工藝羽毛即可）
四分之一磅黃油（一根），室溫
尺子
準備工作
在一個三明治袋中裝入約兩釐米厚的羽毛層，然後封口。
在另一個三明治袋中裝入兩釐米厚的黃油層，然後封口。如果黃油不是室溫，在進行測試前，將裝有黃油的袋子放置一段時間。
將空氣困在第三個三明治袋中。儘量使其厚度與其他袋子相同。（先將袋子封口一半多一點，然後向裡面吹氣並封口剩餘部分效果很好；因為你這樣困住的空氣比室溫高，最好將袋子放置一段時間以進行調整。）
留空第四個三明治袋。
在四個小盤子上各放一層冰塊。
將一個袋子放在每個盤子上的冰塊頂部。
步驟
讓一隻手放在空袋子上，另一隻手放在羽毛袋子上。避免向下按壓袋子。哪個感覺更冷？
移開你的手，稍等片刻，直到兩隻手都再次感到溫暖。現在，將一隻手放在空袋子上，另一隻手放在裝有脂肪的袋子上。現在哪個感覺更冷，空袋子還是裝有脂肪層的袋子？
在繼續之前，你預計哪個會感覺更冷，空袋子還是裝有空氣的袋子——或者它們都會感覺一樣冷？
感受一下哪個感覺更冷。你的預測正確嗎？
稍後你將比較羽毛層、脂肪層和空氣層。你認為哪個會感覺最溫暖，哪個會感覺最冷？感覺最溫暖的那個會形成最佳的熱屏障，因此，是最佳的隔熱材料。科學家們將阻止熱傳遞的材料稱為“隔熱材料”。
進行測試。在比較之前，確保讓你的手適應室溫。你能夠分辨出哪個袋子感覺更溫暖嗎？還是差異太小而無法察覺？
為了進行更詳細的測試，將袋子放在冰塊上15分鐘，然後再次感受。現在你能察覺到差異嗎？
你的預測和你的測試結果一致嗎？
額外活動：你認為增加幾層會形成更大的熱屏障嗎？要測試這一點，你首先必須讓你的袋子再次變暖。將它們從冰塊上取下，並在室溫下放置一段時間。然後將一疊兩個袋子放在冰塊上，測量頂部感覺變冷需要多長時間。比單層需要更長的時間嗎？
額外活動：嘗試其他一些材料，如羊毛、棉花、皮革、羊毛絨、紙或鋁箔。你預計哪些是良好的隔熱材料？你的測試結果與你的預測一致嗎？
額外活動：現在你知道了一些良好的隔熱材料，你能否為在北極工作的科學家或探索珠穆朗瑪峰的登山者設計一套救生服？一旦你完成了你的設計，查閱一下在極端寒冷條件下生活或工作的人們穿什麼。你的設計與他們的相似還是非常不同？你認為他們為什麼選擇這些服裝？
觀察和結果
空袋子可能感覺比裝滿材料的袋子涼得多。袋子中的材料是良好的隔熱材料——它們不容易讓熱量透過。將兩個袋子疊放在一起會形成更強的屏障，因此頂部袋子感覺變冷可能需要更長的時間。
裝有黃油（脂肪）的袋子可能比裝有空氣或羽毛的袋子感覺更冷，這導致了這樣的結論：熱量透過脂肪的傳遞速度比透過等厚的靜止空氣層更快。羽毛之所以能隔熱，是因為它們可以困住空氣，因此羽毛袋子和空氣袋子感覺起來可能幾乎沒有差別。
北極氣候區的人們使用動物皮毛以及合成服裝來保護自己免受寒冷侵襲。為抵禦極端天氣而製造的合成服裝使用了與動物身上發現的相同的鎖熱技術。例如，它們可能會使用羽絨來困住空氣，或者具有防水塗層以防止潮溼。
清理
只要你使用了乾淨的袋子，你就可以重複使用黃油進行烹飪。也可以重複使用你的羽毛和其他袋子。
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此活動由科學夥伴合作推出
