關鍵概念
化學
物質狀態
氣體
能量
溫度
引言
您是否曾經烘焙或購買過一條麵包、鬆餅或紙杯蛋糕，並欣賞過蓬鬆的最終產品？如果是這樣，您就體會到了膨脹氣體的工作！它們無處不在——從廚房到宇宙。每次你吃一片面包、咬一口餅乾或喝一口蘇打水時，你都品嚐過它們的樂趣。在這個科學活動中，你將把氣體捕捉到一個你可能很熟悉的彈性容器中——一個氣球！這將讓你觀察到氣體如何隨著溫度的變化而膨脹和收縮。
背景
你周圍世界中的一切都是由物質組成的，包括一個充氣的氣球和它內部的東西。物質有四種不同的形式，稱為狀態，（通常）從最低到最高能量排列。它們是：固體、液體、氣體和等離子體。氣體，如氣球內的空氣或氦氣，會呈現出它們所在容器的形狀。它們會擴散開來，使空間均勻地充滿氣體分子。氣體分子不是連線在一起的。它們直線運動，直到撞到另一個氣體分子或容器壁，然後它們會反彈並繼續朝另一個方向運動，直到撞到其他東西。容器中所有氣體分子的總運動能量稱為平均動能。
這種平均動（運動）能會隨著溫度的變化而變化。當氣體分子被加熱時，它們的平均動能也會增加。這意味著它們移動得更快，並且在氣球內發生更頻繁和更劇烈的碰撞。當冷卻時，氣體分子的動能會降低，這意味著它們移動得更慢，碰撞的頻率更低，強度也更弱。
材料
帶有一些空閒空間的冰櫃
兩個可以膨脹到大約 9 到 12 英寸的乳膠氣球
一根至少 20 英寸長的繩子
記號筆
布捲尺。（普通的捲尺或直尺也可以，但最好使用布捲尺。）
一張廢紙和一支鋼筆或鉛筆
時鐘或定時器
一位助手
準備工作
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確保你的冰櫃有足夠的空間可以輕鬆地放入一個充氣的氣球。氣球不應被壓扁或擠壓。如果需要移動食物以騰出空間，請務必獲得任何在冰櫃中儲存食物的人的許可。還要確保避開冰櫃的任何尖銳物體或部件。
吹起一個氣球，使其基本但不是完全充滿。然後小心地打結紮緊。在你的助手的幫助下，使用布捲尺或一段繩子（然後用捲尺測量繩子）測量氣球最寬部分的周長。氣球的周長是多少？
吹起另一個氣球，使其看起來與第一個氣球的大小大致相同，但不要將其紮緊。用拇指和手指捏住開口，使空氣無法逸出。讓你的助手測量氣球的周長，然後調整內部空氣量，直到它與第一個氣球的周長相差約半英寸或更小（正負）（透過吹入更多空氣，或讓少量空氣逸出）。然後將第二個氣球紮緊。
步驟
轉動其中一個氣球，以便你可以看到它的頂部。在最頂部應該有一個稍暗的點。使用記號筆，小心地在較暗點的中心做一個小點。
然後拿一個布捲尺（或使用一段繩子和一個普通的捲尺或直尺），小心地用記號筆在氣球的頂部畫兩條小線，這兩條線彼此相距兩英寸半，較暗的點作為中點。要做到這一點，你可以將捲尺居中，使其一英寸四分之一的標記在你做的小點上，然後在零點和兩英寸半的點上畫一條線。
對另一個氣球重複此操作，使其頂部也有兩條相距兩英寸半的線。
在其中一個氣球上的某個位置寫上數字“1”，在另一個氣球上寫上數字“2”。
由於用粗記號筆在氣球上畫出精確的線可能很困難，現在測量你畫在每個氣球上的兩條線之間的精確距離，從兩條線的外部測量。（例如，距離可能是兩英寸八分之三或兩英寸八分之五。）將每個氣球的距離（以及氣球的編號）寫在一張廢紙上。你認為為什麼在測量距離時如此精確很重要？
將 1 號氣球放入你為其騰出的空間的冰箱中。在冰箱中放置 45 分鐘。在此期間不要打擾它或開啟冰箱。你認為氣球在冰箱裡放置後尺寸會有什麼變化？
在此期間，將 2 號氣球放在室溫下的某個地方（不是在陽光直射下或靠近熱燈）。
在 1 號氣球放入冰箱 45 分鐘後，將你的布捲尺（或一段繩子和普通捲尺）帶到冰箱，在氣球仍在冰箱中（但冰箱門開啟以便你可以接觸到氣球）的情況下，快速測量兩條線之間的距離，就像你之前做的那樣。兩條線之間的距離改變了嗎？如果改變了，它是如何改變的？這告訴你氣球的大小是否發生了變化？你認為這是為什麼？
然後測量 2 號氣球上兩條線之間的距離，該氣球保持在室溫下。兩條線之間的距離改變了嗎？如果改變了，它是如何改變的？氣球的尺寸如何變化？你認為這是為什麼？
總的來說，當放入冰箱時，氣球的尺寸如何變化？你的結果告訴你，當溫度變化時，氣體如何膨脹和收縮？
額外：將 1 號氣球從冰箱取出後，將其在室溫下放置至少 45 分鐘，使其升溫。然後重新測量線之間的距離。氣球升溫後尺寸發生了什麼變化，如果有變化的話？
額外：再次嘗試此活動，但不是將 1 號氣球放入冰箱，而是將其放在炎熱的地方 45 分鐘，例如在炎熱的室外或在溫暖的汽車內。（只要確保氣球不在陽光直射下或靠近熱燈，因為這會因氣體逸出而使氣球放氣。）氣球放在炎熱的地方時尺寸會發生變化嗎？如果發生變化，如何變化？
額外：在此活動中，你使用了肺中的空氣，但其他氣體的表現可能不同。你可以再次嘗試此活動，但這次用氦氣填充氣球。使用氦氣如何影響氣球放入冰箱時的尺寸變化？
[分隔符]
觀察和結果
與放在室溫下的 2 號氣球相比，放在冰箱中的 1 號氣球是否縮小了一點？
你應該看到，當你把氣球放在冰箱裡時，線之間的距離稍微減小了，從大約兩英寸半減少到兩英寸四分之一（或減少了四分之一英寸，約 10%）。氣球縮小了！保持在室溫下的氣球上的線之間的距離應該基本保持不變（或略微減少），這意味著氣球的尺寸不應該真正改變。冷凍的氣球縮小了，因為氣球中氣體分子的平均動能在溫度降低時降低。這使得分子移動得更慢，並且與氣球的內壁發生較少和較弱的碰撞，從而導致氣球稍微縮小。但是，如果你讓冷凍的氣球升溫，你會發現它又變大了，變得和一直放在室溫下的氣球一樣大。這是因為平均動能會因溫度升高而增加，使分子移動得更快，並再次更頻繁、更劇烈地撞擊氣球內部。
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此活動由科學夥伴合作提供