核心概念
物理學
熱
分子
力
引言
你是否注意到，有些物體在受熱時會膨脹，冷卻時會收縮？例如，你可能會用熱水沖洗一個卡住的罐子蓋——這會導致蓋子膨脹，使其更容易擰開。這種效應對於所有材料都一樣嗎？試試這個有趣的活動來找出答案！
背景
材料由原子和分子組成。（分子是多個原子結合在一起的組合。）即使你肉眼看不到，這些分子也在不斷地振動和相互碰撞。通常，當材料變熱時，分子會更劇烈地振動。由於它們更猛烈地相互碰撞，這會導致材料稍微膨脹。這種現象稱為熱膨脹，它是導致道路和人行道出現許多裂縫的原因。隨著溫度在夏季和冬季從非常熱到非常冷地變化，材料會反覆膨脹和收縮，最終導致裂縫。
橡皮筋與許多其他材料不同，因為它們的分子實際上是非常長的鏈，有點像一堆纏結的義大利麵。這些長鏈被稱為聚合物，當加熱或冷卻時，它們的行為會令人驚訝。在這個活動中，你將使用熱水和冰水來改變橡皮筋的溫度。你認為橡皮筋在加熱時會膨脹還是收縮？
材料
兩升蘇打水瓶
永久性記號筆
剪刀
鉛筆
小而細的橡皮筋
約 20 到 25 個硬幣
膠帶（任何型別的都可以）
回形針
熱自來水
冰塊
大型淺碗或平底鍋
容易清理溢位的工作區
抹布或紙巾
準備工作
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確保你有一個工作區域，可以輕鬆清理灑出的水，例如廚房檯面。
切割瓶子和使用非常熱的自來水時，請尋求成人幫助。
步驟
讓成年人使用剪刀切掉兩升蘇打水瓶的頂部，將其變成圓柱形。
使用膠帶覆蓋瓶子頂部邊緣周圍的任何鋒利邊緣。
在成人的幫助下，使用剪刀在瓶子相對的兩側戳小孔（剛好足以讓鉛筆穿過），大約在頂部邊緣下方一英寸處。
從瓶子外部將鉛筆穿過其中一個孔。
將你的小橡皮筋繞在鉛筆上。
繼續將鉛筆推過瓶子另一側的孔。
將大約 20 個硬幣堆疊在一起，並用回形針作為“鉤子”，你可以用它將它們掛在橡皮筋上。你認為你的橡皮筋能夠輕鬆支撐多少個硬幣？（你需要的確切硬幣數量取決於你的橡皮筋的大小和強度。你希望橡皮筋在掛上硬幣時明顯伸展開，但又不會伸展到碰到瓶子的底部。強勁的橡皮筋可能需要更多的硬幣，較弱的橡皮筋可能需要更少的硬幣。）你可以嘗試將硬幣分散開來，以便更容易懸掛——例如，將兩堆 10 個硬幣並排粘在一起，或將四堆 5 個硬幣並排粘在一起——而不是一堆 20 個硬幣。
將你的兩升瓶放入淺碗或平底鍋中，以接住任何灑出的水。
將熱水加到瓶子裡，直到沒過鉛筆，使橡皮筋完全浸沒。等待一兩分鐘，讓橡皮筋的溫度與水的溫度相同。你認為橡皮筋的長度可能會發生什麼變化？
從側面看瓶子，使你的眼睛與橡皮筋的底部齊平。使用永久性記號筆在瓶子側面畫一條與橡皮筋底部齊平的線，並將其標記為“熱”。
現在，向瓶子里加入冰塊並輕輕攪拌。這將導致水位上升，因此一些水會從你為鉛筆戳的孔中溢位。
如果水仍然很熱，冰塊可能會迅速融化。繼續加入冰塊並輕輕攪拌，直到瓶子和水感到很冷。你認為在這種新溫度下橡皮筋的長度會發生什麼變化？
再次檢視瓶子的側面，使你的眼睛與橡皮筋的底部齊平。畫一條與橡皮筋底部齊平的新線，並將其標記為“冷”。
你的“冷”線在你的“熱”線的上方還是下方？這是否是你期望發生的情況？為什麼是或為什麼不是？
額外內容： 你可以使用溫度計測量不同的水溫，並使用尺子測量橡皮筋的長度，從而量化該活動。如果你在多個點進行測量（例如，熱水、室溫水、冰水），則可以繪製結果圖表。
額外內容： 嘗試其他加熱和冷卻方法，而不是使用熱水和冷水。例如，將瓶子裡的水倒出來，然後用吹風機加熱橡皮筋。然後要冷卻它，請嘗試將瓶子放在冰箱中大約半小時。當你測量橡皮筋時，你是否得到相同的結果？
額外內容： 用不同的橡皮筋再次嘗試該活動。有些橡皮筋的收縮或伸長幅度是否大於或小於其他橡皮筋？你認為這是為什麼？
[分隔符]
觀察和結果
你的結果可能讓你感到驚訝！橡皮筋實際上在變冷時會膨脹！這似乎有悖常理，因為大多數材料在加熱時會膨脹，在冷卻時會收縮。發生這種情況是因為橡膠的不尋常的聚合物結構。當長鏈變熱並振動時，它們實際上會縮短，導致材料收縮。當鏈條冷卻下來時，它們會放鬆並伸展開，導致材料膨脹。
為了幫助視覺化這一點，請拿出你在家裡找到的任何幾英尺長的繩索、細繩或電纜（足夠短，你可以握住它的一端在空中，而另一端不接觸地面）。將繩子伸出使其垂直向下懸掛（它沒有振動），觀察底部末端離地面的距離。現在，快速來回搖晃你的手（使繩子振動）。繩子的末端是離地面更近還是更遠了？當繩子“聚攏”和振動時，它應該會更遠。當橡膠中的聚合物鏈加熱和振動時，也會發生同樣的事情——它們實際上會變短。
清理
將水倒入下水道（或經允許後用於澆花），並清理任何溢位的水。從你的兩升瓶上取下鉛筆和膠帶並回收它——或將其儲存以備將來進行科學活動！
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