主要概念
物理學
壓力
伯努利原理
空氣流動
導言
您知道飛機和聲音有什麼共同之處嗎? 您能猜到是什麼嗎? 氣壓! 空氣是如此的流動和無形,但它能驅動如此多的現象,這真是令人著迷。 在這項活動中,您將用自己的呼吸將一個小紙球吹進一個空瓶子。 聽起來很簡單,但真的是這樣嗎? 親自嘗試一下,看看結果如何!
背景
深空中有一些區域是完全空曠的——沒有任何物質。 科學家稱這種沒有物質的狀態為真空。 在地球上,杯子或瓶子似乎是空的,但這與真正空曠的空間不同。 這些容器內部實際上不是真空,而是空氣。 空氣是肉眼看不見的,但實際上是由微小的粒子組成的,這些粒子在不斷運動。
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當不受干擾時,空氣(一種氣體)會試圖創造平衡,這意味著它會試圖均衡其粒子的分佈和運動。 當您製造干擾時,例如飛機的機翼穿過空氣,或振動的鼓有節奏地將空氣粒子推到一起時,事情就會變得有趣。 18 世紀,瑞士科學家丹尼爾·伯努利注意到,空氣流動速度快的地方,氣壓低於空氣流動速度慢的地方。 當空氣努力重建平衡時,空氣會自動嘗試從壓力較高的區域移動到壓力較低的區域。 這就產生了飛機機翼上的升力、鼓聲和其他更多現象。
氣壓差會不會使將紙球吹進“空”瓶子比看起來更難? 嘗試一下這個活動來找出答案!
材料
一張四英寸見方的列印紙
塑膠廣口瓶,大約 500 到 800 毫升[公制和英制混合使用可以:紙仍然是英寸,塑膠瓶現在是毫升](大約 17 到 27 盎司)。 (如果您只有瓶口較小的瓶子,請使用兩英寸乘四英寸的紙張製作紙球。)
桌子或其他平面
紙板管,例如紙巾捲筒
助手
小球(可選)
其他瓶子或罐子(可選)
吸管(可選)
準備
將紙張揉成一個緊實的球。 球應該很容易穿過瓶口。
步驟
將瓶子側放,瓶口朝向您。 請助手按住瓶口,使其接觸工作表面。
將紙球放在瓶口前,距離瓶子約 2.5 釐米(1 英寸)。
稍後您將把球吹進瓶子。 您預計這將有多大挑戰性?
試一試! 結果如您所料嗎?
與您的助手交換位置。 他們能把球吹進瓶子裡嗎?
集思廣益,想想哪些方法可以使將球吹進瓶子更容易。 嘗試那些聽起來最有希望的方法。 如果某些方法有效,您認為是什麼使這些解決方案有效,而其他解決方案失敗?
觀察類似的情況可能有助於解釋為什麼將紙球吹進瓶子出乎意料地困難。 嘗試將球滾進瓶子裡。 這很難嗎? 當您滾動球時與吹球時有什麼不同?
將紙板管平放,開口朝向您。 將紙球放在管口前約 2.5 釐米處。 您預計將球吹進管子有多大挑戰性?
試一試。 結果如您所料嗎?
將管子與瓶子進行比較。 有什麼不同和相似之處? 哪些差異可能使將球吹進瓶子更困難? 您能找到方法來檢驗您的解釋嗎?
額外內容:尋找其他小球或用您在房子周圍找到的物品製作小球。 用較重或較輕的球更容易嗎?
額外內容:將塑膠瓶換成其他瓶子或罐子。 您能將球吹進那些瓶子或罐子裡嗎? 您認為您得到這些結果的原因是什麼?
額外內容:使用吸管將您吹出的空氣直接 направлять 到球上。 這能幫助您將球吹進瓶子嗎?
觀察和結果
很可能幾乎不可能在不使用工具的情況下將球吹進瓶子——但很容易將其吹進管子或滾進瓶子。
雖然瓶子和管子看起來是空的,但兩者都充滿了空氣。 管子中的空氣可以自由地從管子的兩端流出,而瓶子中的空氣只能透過瓶口排出。
當您吹氣時,您會產生氣流,空氣的運動可以將輕球帶走。 當您朝管子吹氣時,管子前面的空氣會將已經存在於管子中的空氣從另一端推出。 球跟隨氣流進入管子。 當您朝瓶口吹氣時,就好像您吹出的空氣和跟隨氣流的球從已經位於瓶子內的空氣中反彈一樣——因為瓶子內的空氣無處可去。 球不會進入瓶子。
您還可以使用伯努利的觀察結果來解釋為什麼吹球不會將球推入瓶子。 瓶子內部的空氣流動緩慢,因此與瓶子前方的快速流動的空氣(您剛剛吹出的空氣)相比,壓力更高。 因為空氣總是試圖達到平衡,所以來自瓶子的空氣(高壓區域)將流出瓶子,流向低壓區域,並將球帶走。
當您將球滾入瓶子時,空氣可以在球滾入的同時透過瓶口從瓶子中排出。 為了成功地將球吹入瓶子,您需要將您吹出的空氣集中到球上——而不是讓空氣繞過它。 吸管可以幫助您做到這一點。
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