關鍵概念
固體
流體
粘度
非牛頓流體
引言
兔子是蓬鬆的,泥漿是軟爛的,氣球是有彈性的。什麼物質可以同時蓬鬆、軟爛又有彈性,而且玩起來還那麼有趣?傻膠、Gak 和史萊姆!
這些物質也可能令人困惑。大多數物質在冷卻時會變硬,而在加熱時流動性會更好。想想蜂蜜在寒冷的日子裡從瓶子裡慢慢滲出,在炎熱的日子裡又迅速流出的樣子。傻膠、Gak 和史萊姆卻不同。當你緊握拳頭擠壓它們時,它們會感覺像固體一樣堅硬,但一旦你鬆開手,它們就會像濃稠的液體一樣從你的手指間滲出。為什麼史萊姆會如此不同?在這個活動中,你將製作自己的史萊姆,玩耍它,並發現是什麼使其流動!
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背景
它是固體還是液體?固體由緊密堆積的粒子(稱為分子或原子)組成,這些粒子相互緊扣,因此固體保持其形狀。液體具有可以相互滑動和繞行的粒子,從而使流體能夠流動。只有新增或去除熱量才能使某些液體(如水或油)流動得更好或更差。這些被稱為牛頓液體。非牛頓液體,如番茄醬和史萊姆,則不同。擠壓、攪拌或攪動等操作也會改變它們的流動方式。有時它們會變得非常粘稠——或很難流動——以至於很容易被誤認為是固體。
一種這樣的非牛頓液體可以用白色學校膠水製成,白色學校膠水是一種聚合物。聚合物由稱為單體的重複部分的鏈組成。一種聚合物可能由數十萬個單體組成。聚合物也稱為大分子或大型分子。有些是人造的,如塑膠和尼龍。另一些則天然存在,如 DNA、小麥麵筋和澱粉。
白色學校膠水是液體,因為其長聚合物可以相互滑動和沿著彼此滑動。但是,它不易流動;它非常粘稠。新增一些化學物質——例如硼砂溶液(或溶於水的十水合四硼酸鈉)——會在聚合物之間形成交聯。就好像非常長的分子開始手拉手。結果仍然是聚合物可以相互滑動的流體,還是會變成固體?
材料
容器
Elmer's 膠水或其他聚乙酸乙烯酯 (PVA) 膠水
熱水
攪拌棒或塑膠勺
硼砂
量匙(半湯匙)
量杯(二分之一杯和四分之一杯)
護目鏡或眼睛保護裝置(處理硼砂會刺激眼睛)
一個工作空間(和工作服),該工作空間受到保護,並且如果粘性史萊姆沾到上面也不會損壞
成人助手
食用色素或記號筆(可選)
用於存放史萊姆的拉鍊袋或密封容器(可選)
準備
保護您的工作空間和衣服——史萊姆可能很粘,而且很難去除!
戴上護目鏡或眼鏡,因為硼砂溶液會刺激眼睛。
讓一位成人助手將半湯匙硼砂粉末倒入半杯溫水中。充分攪拌直至溶液看起來清澈,在容器上貼上“2% 硼砂溶液”的標籤,然後放在一邊。
步驟
在一個容器中倒入半杯膠水和四分之一杯溫水。請注意,此溶液含有 2/3(或 67%)的膠水。
可選:如果您喜歡彩色史萊姆,可以混合幾滴食用色素。另一種選擇是將記號筆的筆尖放入水中一小段時間,使墨水溶解在水中。
用攪拌棒攪拌膠水/水混合物。
向您的膠水/水混合物中加入五湯匙硼砂溶液。
用攪拌棒攪拌。攪拌一段時間後,您應該看到一種物質粘在您的攪拌器上。這種粘性物質看起來像固體還是液體——或者您還不能分辨?
如果您的物質仍然是水狀的,則每次加入 ¼ 湯匙硼砂溶液,直到幾乎沒有水狀溶液殘留。
用手收集粘性物質,並用手揉搓約一分鐘。史萊姆感覺如何?當您揉搓一段時間後,粘性和彈性如何變化?
您會說史萊姆是液體,還是更像固體?
將您的史萊姆擠成橢圓形,並用雙手快速將其拉開。它會撕裂還是拉長?
再次將您的史萊姆擠成橢圓形,並用雙手緩慢將其拉開。它會撕裂還是拉長?您可以把它拉多薄?
用手揉搓您的史萊姆,使其成球狀。嘗試用力將手指戳入其中。您的手指能戳多深?感覺像您用手指戳入固體還是液體?
現在嘗試輕輕地將手指戳入其中。您的手指能戳多深?感覺像您用手指戳入固體還是液體?
再次將您的史萊姆擠成球狀,並將其放入容器中。您認為如果您將其放在那裡一段時間會發生什麼?它會像固體一樣保持橢圓形,還是會像液體一樣放鬆成一灘並採取容器的形狀?
可選:為了保持您的史萊姆柔軟,請將其存放在密封容器或拉鍊袋中。
額外內容:在您的膠水/水溶液中新增其他物質,如剃鬚膏或液體肥皂。您還能獲得史萊姆嗎?這種史萊姆的感覺和外觀會有什麼不同?
額外內容:將您的史萊姆暴露在空氣中一天。您認為會發生什麼?它會變得更像固體,還是開始更容易流動?您認為為什麼會發生這種情況?
觀察和結果
史萊姆有時感覺像固體,有時感覺像液體嗎?這是預期的。
這種型別的史萊姆在您擠壓或攪拌時會變稠或變得更硬或更粘稠。發生這種情況是因為它由交聯的長粒子組成。當您將粒子靜置時,它們會捲曲起來,並且捲曲物可以相互滑動。當您透過擠壓或攪拌施加壓力時,一些捲曲物會解開並纏結,從而使史萊姆更難流動。
當您攪拌史萊姆、嘗試將其撕裂或用力將手指戳入其中時,聚合物會纏結,並且看起來像固體。因此,它很難攪拌,它會撕裂,並且您的手指會被彈回。
當您將史萊姆靜置、輕輕地將其拉開或輕輕地將手指戳入其中時,聚合物會捲曲起來。它們可以相互滑動,並且感覺更像液體。因此,史萊姆採取了容器的形狀,它可以被拉伸得很薄,並且您的手指可以穿過它。它不像水那樣容易流動,因為它由長交聯粒子組成,而水由小粒子組成。當一種物質保持其體積但在靜置時失去其形狀時,科學家稱之為液體。
清理
不要將膠水溶液或史萊姆倒入下水道,因為它們會形成堵塞。相反,將它們扔進垃圾桶。用肥皂水清洗所有裝置。
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